ligas metálicas - Colégio Meta Química

LIGAS METÁLICAS
Os metais utilizados pela indústria raramente apresentam todas as características
desejadas para uma aplicação específica. Caso seja muito quebradiço, ou muito mole, ou
pouco resistente à oxidação, busca-se obter uma liga com outro elemento que resulte num
material de maior resistência mecânica, duração ou outra qualidade desejável. Por
apresentarem propriedades e características físicas mais satisfatórias que as de seus
componentes, as ligas têm importância primordial na indústria metalúrgica.
Liga é a substância resultante da mistura de dois ou mais elementos, entre os quais
pelo menos um é metal. Na maior parte das vezes recorre-se à liga para dar aos metais
determinadas propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas ou anticorrosivas.
O procedimento mais freqüente na preparação de ligas consiste em fundir, em
primeiro lugar, o metal cujo ponto de fusão é mais elevado, acrescentando-se em seguida
os demais componentes. Também é possível inverter a ordem ou fundir os componentes
simultaneamente. O método de fusão mais simples é o do cadinho, utilizado em pequenas
fundições. Quando é necessário obter grandes quantidades de liga, usam-se fornos elétricos
de diferentes tipos, como os de arco e de indução de baixa ou alta freqüência.
A preparação de algumas ligas consiste no próprio processo de obtenção do metal, já
que alguns minérios já contêm os elementos necessários à liga que se deseja obter. Um
exemplo disso é o bronze (liga de cobre e estanho), primeira liga utilizada pelo homem, há
mais de cinco milênios. Os homens primitivos fabricavam bronze pela simples fundição do
minério de cobre, que já continha estanho.
Classificação das ligas: Ao planejar a combinação de metais, entre si ou com outros
elementos, considera-se com especial cuidado a variação das proporções, fator que influi
decisivamente nas propriedades do material final. Certas misturas formam uma rede
cristalina perfeita, com os átomos de diversos materiais dispostos em posições
perfeitamente determinadas; em outros casos, os átomos se distribuem aleatoriamente.
No estudo das características de uma liga são empregados gráficos ilustrativos da
relação entre tempo e temperatura. Outro recurso útil à análise é o diagrama de fases, em
que se apresentam a porcentagem dos componentes e a temperatura. A partir desses
diagramas, que exibem as diversas fases ou formas de cristalização a que estão sujeitos os
materiais, é possível classificar cinco tipos genéricos de ligas.
Tipo I: ligas com solução sólida. As ligas metálicas do tipo I são miscíveis tanto no estado
sólido quanto no líquido. Na elaboração das combinações de solução sólida, formam-se
cristais que contêm todos os metais componentes da liga.
Tipo II: ligas eutéticas. Chamam-se eutéticas as ligas que, em estado sólido, apresentam
proporções inalteráveis e ponto de fusão constante e característico, também chamado
eutético. Por manter constantes os pontos de fusão e solidificação, a liga eutética se
comporta como um metal puro.
Tipo III. No grupo III os metais são totalmente miscíveis em estado líquido, mas em estado
sólido só se misturam parcialmente.
Tipo IV. O grupo IV inclui as ligas de metais não miscíveis em estado líquido.
Tipo V: ligas que formam compostos. Os metais do tipo V combinam-se para formar
compostos denominados intermetálicos, principais endurecedores das ligas industriais.
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Alguns, como os carbonetos de boro e de tungstênio, estão entre os materiais mais duros e
resistentes que se conhecem.
Principais ligas: As ligas dividem-se em dois grandes grupos: ferrosas e não-ferrosas. Entre
as primeiras, mais importantes sob o ponto de vista do volume de produção e da
diversidade de propriedades, figuram os diversos tipos de aço, enquanto as não-ferrosas se
caracterizam por suas propriedades específicas, como leveza ou resistência à corrosão.
Ligas à base de ferro - O aço comum é constituído de ferro e uma proporção de carbono,
em geral inferior a 1,8%. A partir do aço comum se produzem materiais como o aço
inoxidável, que contém níquel, titânio e cromo, e os aços especiais, com maiores
concentrações desses e de outros elementos, de acordo com a aplicação a que se destinem.
Outro tipo de ligas de ferro são as de ferro-níquel, com quarenta a cinqüenta por cento de
níquel, que se caracterizam pelo coeficiente de dilatação muito baixo.
Ligas à base de cobre - Entre as ligas de cobre se incluem algumas de uso muito
freqüente, como o latão, formado de cobre e zinco, e o bronze, de cobre com um máximo
de dez por cento de estanho. As ligas não-ferrosas à base de cobre ocupam o segundo
lugar em volume de produção, depois das ligas de ferro.
Ligas à base de alumínio - Também comuns, as ligas de alumínio podem ser usadas em
fundição, caso das que contêm silício. Entre as ligas forjadas de alumínio, que contêm cerca
de quatro por cento de cobre e 0,6% de magnésio, ou um por cento de silício e um por
cento de magnésio, se inclui o duralumínio, liga endurecível por envelhecimento.
Ligas de chumbo e estanho - A solda é a mais conhecida das ligas à base de estanho e
contém quarenta a cinqüenta por cento desse metal. O chumbo duro, liga de chumbo com
10 a 13% de antimônio, se usa na fabricação de placas de bateria.
Ligas de manganês - Chamam-se ligas de manganês aquelas que combinam esse metal
com cobre e níquel e apresentam coeficiente de dilatação térmica inusitadamente alto.
Ligas de metais preciosos - Entre as muitas ligas de metais preciosos que constituem o
material básico da joalheria, podem-se mencionar a alpaca, de prata, cobre, níquel e zinco;
a prata de lei, combinada com cobre; e as ligas de ouro, com diversos metais, que
conferem ao metal resistência ao desgaste. O ouro puro tem 24 quilates, e as ligas, valores
proporcionalmente inferiores.
Aplicações. De aplicação em quase todos os campos, as ligas podem também ser
classificadas em função de seu uso. Assim, as de antifricção destinam-se a suavizar o atrito
entre peças de maquinaria, e as fusíveis -- entre elas as ligas Newton, Rose, Darcet e
Wood, que contêm proporções variáveis de bismuto, chumbo, estanho e cádmio -- são
empregadas como elementos térmicos de segurança. As ligas resistentes à corrosão e à
oxidação são fundamentais para a construção naval, em que se usa muito a liga Monel, de
níquel com pequena percentagem de cobre e ferro.
As ligas magnéticas -- como o permalói e o ticonal, constituídos de ferro, níquel, cobalto e
titânio -- mantêm suas propriedades permanentemente e representaram um grande avanço
na comunicação por cabo submarino. Finalmente, as ligas refratárias, de grande resistência
à corrosão, ao calor e a radiações, são utilizadas como material de construção em usinas
nucleares e na indústria aeroespacial.
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Alumínio
Descoberto em 1825, o alumínio é produzido em quantidades maiores do que qualquer
outro metal industrial, exceto o aço. Prateado, é resistente e leve, pouco suscetível à
corrosão e reciclável.
Embora seja o metal mais abundante na crosta terrestre, não é fácil extraí-lo, pois só
ocorre na forma de compostos (substância formada por dois ou mais elementos químicos).
A maior parte do alumínio que utilizamos vem de um minério (rocha ou mineral que ocorre
na natureza e contém um elemento químico metálico) chamado bauxita.
Bom condutor de calor, o alumínio não tem gosto nem cheiro, por isso é usado na forma de
folhas na cozinha. O alumínio também costuma ser utilizado em aplicações que exigem
economia de peso, como por exemplo, na estrutura do avião Concorde.
Em contato com o ar reveste-se de uma fina camada de óxido, que preserva o resto do
metal da oxidação, mesmo que esteja exposto à umidade. Sua resistência aumenta quando
figura em ligas com pequenas porcentagens de cobre e manganês, sendo nesta forma
aplicado na aeronáutica e no automobilismo.
No comércio é encontrado em lingotes, folhas, tubos e fios, que são empregados na
fabricação de diversas utilidades, tais como peças de automóveis, aviões, bicicletas, rádios,
utensílios de cozinha, máquinas portáteis de furar e cortar, metros articulados, objetos
artísticos, etc.
Substitui o cobre nas linhas transmissoras de energia elétrica, quando há necessidade de
condutores de pouco peso e maior tenacidade, e em muitas peças de aparelhos elétricos. É
também componente de importantes ligas metálicas, como o "metal Delta", e de alguns
tipos de bronze.
Dos seus compostos, o óxido (coridon) é o mais duro dos metais, depois do diamante; o
sulfato é usado nas indústrias de papel/no curtimento de peles e couros e como mordente;
o cloreto é importante catalisador em química orgânica e na fabricação de óleos
lubrificantes.
A criolita foi o primeiro minério empregado para a sua obtenção, mas hoje, está de lado em
virtude do descobrimento das minas de bauxita, que contém o metal em maiores
proporções.
A bauxita é encontrada em nosso país nos municípios de Ouro Preto, Mutuca e Poços de
Caldas, todos do estado de Minas Gerais. Outras fontes, porém, tem sido descobertas,
mormente, na região de Carajás, ao Nordeste do país, onde se espera montar uma das
maiores fábricas do mundo do produto, com colaboração japonesa. São grandes produtores
mundiais de alumínio a Alemanha, Estados Unidos, Canadá, Noruega, França e a ex-URSS.
Cobre
Origem
O cobre, por ser encontrado em estado nativo, tornou-se conhecido desde os tempos
mais remotos. O homem do Neolítico, no final da Idade da Pedra, encontrou no cobre um
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substituto da pedra, empregando-o principalmente em armas e objetos. Sua metalurgia foi
iniciada no ano 6000 a.C.. Alguns séculos mais tarde, surgiram as ligas de cobre com
outros metais, notadamente como estanho, originando o bronze, marcando o período
denominado Idade do Bronze. O período anterior é conhecido como a Idade do Cobre (ou
Calcolítica).
Obtenção
O cobre nativo acha-se difundido na natureza sob a forma de filões, mas,
usualmente, em quantidades pequenas. É encontrado, comumente, nas zonas oxidadas dos
depósitos de cobre, associado à cuprita Cu2O, à malaquita Cu2CO3(OH)2 e à azurita
Cu3(CO3)2(OH)2. Também pode ser encontrada na calcopirita (CuFeS2), sulfeto duplo de
ferro e cobre. A obtenção de cobre a partir da calcopirita é feita através das seguintes
etapas:
a) Trituração e concentração do minério por flotação
Este processo consiste em juntar ao minério previamente triturado uma mistura de
água e óleo. O óleo envolve os minerais metálicos e a água encharca as impurezas.
Em seguida injeta-se uma corrente de ar que faz o óleo espumar na superfície,
arrastando com ele os minerais metálicos, de modo que, ao se separar a espuma, têm-se
os minerais concentrados.
b) Ustulação do minério
Ustulação é a queima de um minério qualquer que contenha enxofre.
2CuFeS2 + 5O2  2Cu + 2FeO + 4SO2
O cobre assim obtido apresenta pureza de 97 a 99%. Uma purificação maior é feita
por eletrólise, podendo alcançar 99,99% de pureza (cobre eletrolítico).
O mais importante depósito de cobre nativo conhecido no mundo encontra-se na
península de Keweenaw, ao norte do Estado de Michigan (E.U.A.), na margem meridional
do lado Superior. Ali o cobre ocorre em filões que cortam uma série de derrames
magmáticos, em degraus, intercalados com conglomerados. O cobre serviu de cimento para
unir o conglomerado, tendo penetrado, às vezes, de 30 a 50 cm nos matacões. Além do
gigantesco depósito da península de Keweenaw, o cobre nativo é encontrado em New
Jersey, na Bolívia (Corocora), no Arizona e na parte setentrional do México.
No Brasil, o cobre nativo tem sido encontrado, esporadicamente, em rochas
basálticas. Nos basaltos de Grajaú o cobre apresenta-se sob a forma de metal nativo e de
sulfetos. No município de Viçosa do Ceará, na encosta da serra de Ibiapaba, ocorrem
manchas de malaquita associada aos minerais cuprita, covelita e cobre metálico.
O cobre, no Brasil, não provém de jazidas de cobre nativo. As ocorrências não têm
interesse econômico, por serem esporádicas, sem qualquer regularidade e volume. É obtido
de compostos diversos, que se distribuem pelos Estados e Territórios, formando
concentrações que chegam a constituir reservas apreciáveis. As principais jazidas estão
localizadas: no município de Jaguarari, na Bahia, onde se encontra a já conhecida mina de
Caraíba; no município de Itapeva, em São Paulo, onde se localiza a mina de Santa
Blandina; no município de Caçapava do Sul, no Rio Grande do Sul, onde está em operação
a mina de Camaquã, que já teve vários períodos de trabalho intenso e outros de
paralisação; nos limites dos municípios de Caçapava do Sul e Lavras, região onde se situa a
mina de Seival; a mina Cerro dos Martins, situada a 22km da mina de Camaquã; as minas
dos Andradas e da Primavera, ainda no Estado do Rio Grande do Sul. As jazidas
Niquelândia, em Goiás, onde os minérios de níquel contém cobre na proporção de 0,2% a
1,7%, e as de Vazante, em Minas Gerais, onde os minérios de Zinco contêm cobre
recuperável, poderão produzir quantidades de cobre que superam alguns dos depósitos
conhecidos.
Aplicações
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Se na Antigüidade o cobre era empregado em armas e utensílios, à medida que se
processou o desenvolvimento industrial, suas qualidades tornaram-no um material de
aplicações diversificadas. É um ótimo condutor de calor e eletricidade (superado somente
pela prata), tendo uso extenso - cerca de 55% da produção em fios elétricos (transmissão
de energia, geradores, fios e cabos telegráficos, telefones, iluminação etc.). Além disso, é
fácil de ser trabalhado e resistente às intempéries (usado por isso em coberturas para
tetos). Seus sais são empregados na agricultura como fungicidas.
As ligas como outros metais têm grande importância comercial (principalmente as
feitas com o estanho e o zinco - originando o bronze e o latão, respectivamente), embora
seja muito freqüente seu uso em forma pura. No Brasil o cobre é principalmente utilizado
na fabricação de condutores elétricos (45%) e em ligas (30%).
Características
O cobre é um metal de coloração vermelha característica, dúctil e maleável, que se
cristaliza no sistema isométrico (=cúbico), na classe hexaoctaédrica. Os cristais são
usualmente malformados e em grupos ramificados e arborescentes. Apresenta-se em
incrustações, na forma de escamas e em massas irregulares; por vezes, chega a formar
fios. Sua dureza oscila entre 2½ e 3 e o peso específico entre 8,8 e 8,9. A fratura é
serrilhada. As superfícies de fratura, que ficam expostas, perdem o brilho.
O cobre metálico nativo, símbolo químico Cu, contém muitas vezes quantidades
diminutas de prata, de bismuto, de mercúrio, de arsênio e de antimônio. Funde-se a
1.083ºC, sob a forma de um glóbulo. Dissolve-se prontamente no ácido nítrico, tomando a
solução uma cor azul intensa ao juntar-se um excesso de hidróxido de amônio. Pode ser
reconhecido por sua cor vermelha nas superfícies recentes, sua fratura serrilhada, sua alta
densidade e sua maleabilidade.
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