Aplicações com metais e ligas
Os metais utilizados como materiais devem cumprir determinados requisitos em função da sua utilização prevista. Só se propriedades como a dureza resistência, expansão térmica, condutividade térmica ou o comportamento à oxidação e à corrosão corresponderem às condições de funcionamento, é possível garantir a máxima durabilidade e uma longa vida útil.
Uma vez que este facto limita seriamente a utilização dos metais puros, estes são frequentemente ligados a outros metais, semi-metais ou não-metais. Estas misturas de metais, também conhecidas como ligas, caracterizam-se por propriedades materiais melhoradas e, por conseguinte, alargam consideravelmente a gama de aplicações.
Tecnologia de medição física, como análise térmica diferencial microscopia de aquecimento, calorimetria diferencial de varrimento ou a termogravimetria permitem analisar o comportamento metalúrgico do ferro, do ferro fundido, do aço e de outros metais e ligas no que respeita às questões seguintes ou a questões semelhantes:
- Como é que um metal conduz o calor e/ou a eletricidade?
- Qual é o efeito mecânico ou químico de determinadas temperaturas num metal ou liga?
- Como é que o calor específico se altera com o aumento da temperatura?
- A que temperatura ocorre a oxidação da superfície metálica?
- Quando é que uma liga metálica está em equilíbrio de fase?
Transições de fase o ponto de cristalização O ponto de cristalização, a mudança de estados agregados e a estabilidade térmica de materiais de base para chapas metálicas, substratos e outros produtos metalúrgicos também podem ser investigados através de métodos de medição física. O mesmo se aplica às capacidades térmicas específicas, coeficientes de expansão linear e o ponto de fusão .
A LINSEIS desenvolve e produz sistemas de medição termoanalíticos que podem ser utilizados em muitos outros sectores, incluindo a metalurgia. Os campos de aplicação mais importantes incluem a investigação, o desenvolvimento de produtos e os ensaios de qualidade.
Materiais-chave na tecnologia e na indústria
As ligas são materiais metálicos que desempenham um papel central na tecnologia e na indústria modernas. São criadas pela combinação de pelo menos dois elementos, um dos quais é sempre um metal. Através da combinação de metais e não metais, podem ser criados materiais personalizados com propriedades específicas, indispensáveis para muitas aplicações. Para além dos metais, os não metais também desempenham um papel decisivo na otimização das ligas.
Composição e produção de ligas
As ligas são criadas através da fusão dos componentes a altas temperaturas. Os componentes são misturados na forma líquida e depois arrefecidos, criando uma estrutura metálica comum.
A taxa de arrefecimento pode ter uma influência decisiva nas propriedades do produto acabado. Para além dos metais, podem também ser utilizados não metais ou semi-metais, como o carbono, o boro ou o silício, como elementos de liga, o que pode influenciar significativamente as propriedades da liga.
Propriedades das ligas
As ligas têm frequentemente propriedades mais favoráveis do que os seus metais de base. As vantagens mais importantes que podem ser alcançadas através da formação de ligas incluem
- Aumento da dureza
- Melhoria da resistência
- Maior elasticidade
- Maior resistência à corrosão
Estas propriedades melhoradas tornam as ligas um componente indispensável de numerosas aplicações técnicas, nomeadamente na indústria automóvel, na construção e na eletrónica.
Tipos de ligas
As ligas dividem-se em ligas homogéneas e heterogéneas:
- Ligas homogéneas: Aqui, todos os átomos estão uniformemente distribuídos na rede. Exemplos são as ligas de cobre-ouro ou cobre-prata. Os componentes individuais já não se distinguem uns dos outros, mesmo ao microscópio.
- Ligas heterogéneas: Os componentes estão distribuídos de forma desigual, não se formando uma rede atómica comum. Isto leva à presença de fases microscópicas ou mesmo macroscópicas. Um exemplo disto é a liga de estanho-chumbo.
Ligas importantes e suas aplicações
Legierung | Hauptkomponenten | Verwendung |
|---|---|---|
| Bronze | Kupfer, Zinn | Kunstgegenstände, Werkzeuge |
| Messing | Kupfer, Zink | Elektronische Bauteile, Modeschmuck |
| Stahl | Eisen, Kohlenstoff | Maschinen, Autos, Schienen |
Influência da temperatura nas ligas
As temperaturas têm uma influência considerável nas propriedades das ligas. O aumento da temperatura leva a alterações na estrutura cristalina e nas propriedades mecânicas:
- Estrutura cristalina e fases: A determinadas temperaturas, ocorrem transformações de fase que influenciam o comportamento mecânico da liga. Estas transformações podem alterar a distribuição e o tamanho dos precipitados e das fases dentro da liga.
- Propriedades mecânicas: A resistência e a dureza diminuem com o aumento da temperatura, enquanto a ductilidade e a maleabilidade aumentam. A temperaturas muito elevadas, pode ocorrer fluência, uma deformação plástica lenta sob carga constante.
- Difusão e mobilidade atómica: As temperaturas mais elevadas aumentam a mobilidade atómica, o que promove os processos de difusão e reduz as tensões no material. Isto pode levar ao engrossamento da microestrutura, o que influencia as propriedades mecânicas de uma liga. Da mesma forma, a difusão de tipos de átomos estranhos, por exemplo, em contacto físico com outro componente, pode resultar numa liga mista quando exposta à temperatura, o que normalmente leva a alterações imprevistas nas propriedades.
Temperatura e comportamento de fusão das ligas
O ponto de fusão das ligas é frequentemente mais baixo do que o dos metais puros. Esta diminuição do ponto de fusão ocorre devido a distorções da rede e ao aumento da entropia na fase líquida.
A entropia refere-se ao grau de desordem de um sistema. Na fase líquida de uma liga, existem mais formas de os diferentes tipos de átomos se organizarem, o que aumenta a entropia.
Este aumento da desordem estabiliza a fase líquida e diminui o ponto de fusão da liga. O ponto de fusão exato depende de vários factores:
- Composição: A proporção de elementos de liga influencia o ponto de fusão. Por exemplo, o ponto de fusão do aço varia entre 1425°C e 1540°C, consoante o teor de carbono.
- Elementos de liga: Vários aditivos influenciam o ponto de fusão. O crómio aumenta-o, enquanto o níquel o diminui.
- Impurezas: As impurezas podem baixar o ponto de fusão de uma liga, uma vez que perturbam a estrutura da rede.
Além disso, as alterações de temperatura influenciam o comportamento de fusão das ligas através de transformações de fase ou da ocorrência de superplasticidade, o que aumenta significativamente a formabilidade a altas temperaturas.
O papel dos não-metais nas ligas
Apesar da sua menor proporção nas ligas, os não metais são indispensáveis, uma vez que contribuem decisivamente para melhorar as propriedades dos materiais:
- Carbono: Um componente essencial das ligas de aço que influencia significativamente a dureza e a resistência. As propriedades mecânicas do aço diferem significativamente consoante o teor de carbono.
- Silício: É frequentemente utilizado como aditivo em ligas de alumínio para melhorar a capacidade de fundição. A liga de alumínio-silício (silumin) é utilizada na indústria automóvel para peças fundidas.
- Boro: Mesmo em pequenas quantidades, o boro tem um efeito importante nas propriedades mecânicas das ligas, aumentando a sua dureza.
Não-metais frequentemente utilizados na indústria automóvel
Os não metais estão a desempenhar um papel cada vez mais importante na indústria automóvel, particularmente nas áreas da construção leve, tecnologia de baterias e eletrónica. Os não-metais normalmente utilizados na indústria são
- Carbono: Sob a forma de fibras de carbono, é cada vez mais utilizado em componentes leves para reduzir o peso dos veículos e aumentar a eficiência. O carbono também está presente nas ligas de aço, que são utilizadas na carroçaria e nas peças estruturais.
- Silício: O silício é utilizado em ligas de alumínio, especialmente para peças fundidas na indústria automóvel. É também um componente-chave da eletrónica automóvel, uma vez que é utilizado em semicondutores e microchips.
- Enxofre: O enxofre é utilizado em compostos de borracha que são utilizados no fabrico de pneus de automóveis.
- Platina e paládio: Estes não metais são utilizados em conversores catalíticos para reduzir as emissões nocivas. São cruciais para o cumprimento das normas ambientais e desempenham um papel importante na tecnologia de células de combustível dos veículos a hidrogénio.
- Boro: O boro é utilizado como elemento de liga para endurecer o aço e é utilizado em componentes de alta resistência.
Aplicações técnicas dos não metais na indústria automóvel
Os seguintes componentes, em particular, são dominados por não-metais:
- Catalisadores: Os não-metais, como a platina e o paládio, são componentes essenciais nos conversores catalíticos que reduzem as emissões nocivas. Estes materiais ajudam a cumprir regulamentos ambientais rigorosos e desempenham um papel importante na melhoria da qualidade do ar.
- Pilhas de combustível: Os veículos com células de combustível de hidrogénio têm normalmente membranas e eléctrodos complexos feitos de platina ou carbono, por exemplo. Estas tecnologias estão a tornar-se cada vez mais importantes à medida que as tecnologias de condução alternativas são desenvolvidas.
- Eletrónica e sensores: Os semicondutores não metálicos, como o silício, são indispensáveis para a eletrónica e os sensores dos veículos modernos, cada vez mais automatizados.
- Tecnologia de baterias: Os materiais não metálicos, como a grafite, desempenham um papel fundamental no desenvolvimento de tecnologias modernas de baterias para veículos eléctricos. Estes materiais melhoram significativamente o desempenho e a vida útil das baterias.
- Proteção contra a corrosão: Os revestimentos não metálicos e os aditivos protegem os componentes metálicos contra a corrosão, prolongando assim a sua vida útil, especialmente em condições ambientais agressivas.
- Materiais compósitos: Na indústria automóvel, os materiais metálicos e não metálicos são frequentemente combinados para produzir materiais compósitos que combinam elevada resistência com baixo peso.
Novos desenvolvimentos em ligas e não metais
O desenvolvimento da tecnologia é também acompanhado por inovações no domínio das ligas e dos não metais. Um exemplo disto são as ligas leves de alta resistência, como as ligas de titânio-alumínio ou de magnésio, que são utilizadas na engenharia aeroespacial e automóvel devido à sua elevada resistência e leveza.
Os metais amorfos, também conhecidos como vidros metálicos, são outra inovação. Estas novas ligas têm um arranjo atómico irregular e caracterizam-se por uma resistência e formabilidade excepcionais. Oferecem aplicações potenciais na alta tecnologia e na tecnologia médica.
Reciclagem e sustentabilidade
A reciclabilidade das ligas e dos não metais desempenha um papel cada vez mais importante, especialmente em indústrias como os sectores automóvel e aeroespacial.
Há uma ênfase crescente no conceito de economia circular para reutilizar materiais como o alumínio e o aço e reduzir o impacto ambiental.
Há também uma maior ênfase na utilização de fontes de matérias-primas sustentáveis para garantir que metais críticos como o lítio ou a platina provêm de fontes sem conflitos e respeitadoras do ambiente.
Fabrico aditivo (impressão 3D) em metalurgia
Um avanço significativo no processamento de ligas é o fabrico aditivo, também conhecido como impressão 3D. Esta tecnologia permite a produção de estruturas complexas diretamente a partir de pós de ligas, sendo cada vez mais utilizada nas indústrias automóvel e aeroespacial. Utilizando a metalurgia do pó, as ligas com propriedades específicas podem ser produzidas de forma direcionada. Outro potencial inovador é o desenvolvimento de ligas personalizadas que são adaptadas aos requisitos de aplicações específicas.
Previsões futuras
A utilização de ligas e não metais continuará a crescer em importância nas próximas décadas. A importância destes materiais irá aumentar, particularmente em áreas como a electromobilidade e a economia do hidrogénio.
As ligas leves e as tecnologias avançadas de baterias desempenham um papel fundamental no desenvolvimento dos veículos eléctricos.
Para além disso, a procura de platina na tecnologia das células de combustível aumentará à medida que o hidrogénio ganha importância enquanto fonte de energia alternativa.
Conclusão
As ligas e os não-metais são componentes essenciais da tecnologia e da indústria modernas. Oferecem soluções personalizadas para uma vasta gama de aplicações, particularmente na indústria automóvel, onde ajudam a aumentar a eficiência e a cumprir as normas ambientais.
O controlo da temperatura e da composição é crucial para alcançar as propriedades desejadas destes materiais e otimizar ainda mais as suas potenciais aplicações. Além disso, a investigação e a inovação em curso irão aumentar ainda mais a utilização de ligas e não metais em novas áreas, especialmente no que diz respeito à sustentabilidade e às novas tecnologias de fabrico, como a impressão 3D.
