ZINCO E SUAS LIGAS INTRODUÇÃO Uma das características mais importantes do zinco é a sua resistência à corrosão em qualquer ambiente atmosférico (devido à proteção de um óxido protetor à temperatura ambiente), que permite que este seja utilizado na proteção contra corrosão, através da aplicação por diferentes processos de revestimento de peças e estruturas de aço, além de ferros fundidos e ligas de alumínio. Por exemplo, para proteção contra corrosão do aço com o uso de zinco, pode ser através dos seguintes processos: a) Aplicação de recobrimentos metálicos metálicos ou de substâncias substâncias orgânicas orgânicas e inorgânicas; inorgânicas; b)
Emprego de inibidores de corrosão nos meios ambientes;
c) Utilização de ligas metálicas mais resistentes resistentes à corrosão; d) Adoção de proteção catódica. O zinco não é utilizado para fins estruturais devido à sua baixa resistência mecânica. Entretanto, algumas ligas de zinco podem ter resistência mecânica suficientemente elevada, para algumas aplicações específicas. A ductilidade do zinco, acima de 100 oC, é bastante elevada, permitindo, assim, que a conformação plástica seja relativamente fácil na obtenção de formas laminadas ou extrudadas. Pode ser encontrado na forma de placas, lingotes, chapas, grãos e pós. O ponto de fusão do zinco é baixo e, associado a outras características, permite a sua utilização em processos de fundição sob pressão em matrizes metálicas; assim, o zinco é utilizado na forma de uma liga com alumínio e outros elementos. As propriedades físicas do elemento zinco estão mostradas na Tabela 1. Tabela 1 – Propriedades do Zinco Propriedades
Valor
Unidade
Densidade
7,13
g/cm3
Ponto de fusão
420
C
28
%IACS
Condutividade Condutividade eletrica Estrutura
HC
CLASSIFICAÇÃO E DESIGNAÇÃO O zinco e suas ligas podem ser classificados em duas categorias: zinco e ligas de zinco trabalhadas; e ligas de zinco para fundição. A Tabela 2 mostra os nomes e a designação do zinco e suas ligas, de acordo com as categorias.
Tabela 2 – Designação do zinco e suas ligas
Designação
Composição Zinco e ligas de zinco trabalhadas
Zinco laminado comercial
Zn – 0,08 Pb
Zinco laminado comercial
Zn – 0,06 Pb – 0,06 Cd
Zinco laminado comercial
Zn – 0,3 Pb – 0,06 Cd
Zinco laminado endurecido com cobre
Zn – 1 Cu
Liga de zinco laminada
Zn – 1 Cu – 0,010 Mg
Liga de zinco – cobre - titânio
Zn – 0,8 Cu – 0,15 Ti
Ligas de zinco para fundição por pressão em matrizes Zamac 3
Liga de zinco Zn – 4 Al – 0,04 Mg
Zamac 5
Liga de zinco Zn – 4 Al – 1 Cu – 0,04 Mg
Ligas de zinco para fundição por gravidade Ilzro 16
Zn – 1,2 Cu
Liga de zinco
Zn – 4,75 Al – 0,25 Cu
Para as diversas aplicações – ligas para laminação e para fundição, elemento de liga dos latões e material de revestimento protetor contra corrosão – deve-se utilizar os diferentes tipos de zinco como matéria-prima, de acordo com a designação e constituição indicada na Tabela 3, a partir das especificações exigidas do produto final.
Tabela 3 - Composic !ão química dos tipos de zinco. Extra fino Fino Comum
Zn (min)
Pb
Fe (max)
Cd
Sn
Al*
99,990
0,003
0,003
0,003
0,001
-
99,90
0,03
0,02
0,02
-
-
98,0
1,4
0,05
0,20
-
0,05
* para aplicação em laminados de zinco ou latão Al: 0,005% máx.
O zinco também pode ser classificado em duas famílias: zinco primário e zinco secundário. O zinco primário representa 80% da produção atual, e o seu principal processo de produção é o eletrolítico, que consiste na dissolução do óxido ustulado em ácido sulfúrico, seguido de um processo de eletrólise, na qual o eletrólito, rico em zinco, entra em células eletrolíticas com ânodos de ligas de chumbo e cátodos de alumínio. O zinco se deposita neste último, sendo periodicamente retirado para posterior fusão e transformação em placas. O zinco secundário, por sua vez, é reciclado e representa 20% do total atualmente produzido.
CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DAS LIGAS DE ZINCO TRABALHADAS As ligas de zinco utilizadas na forma de produtos semimanufaturados (chapas, tiras, arames) apresentam características de fabricação de elevada conformabilidade plástica (via estampagem, extrusão, trefilação, etc.), de razoável soldabilidade (em geral, soldagem branca com metais de baixo ponto de fusão) e de elevada resistência à corrosão. As ligas de zinco convencionais possuem baixa resistência à fluência, e para aplicações onde essa propriedade de resistência é importante os elementos de liga indicados são o cobre e o titânio. O chumbo é adicionado nas ligas convencionais porque este elemento reduz a velocidade de corrosão em aplicações como, por exemplo, nos recipientes de pilhas elétricas. O chumbo não entra praticamente em solução com o zinco e permanece, na solidificação, nos contornos de grãos. O cádmio entra sem solução sólida no zinco elevando a temperatura de recristalização e a resistência mecânica e de fluência. Os elementos contidos como impurezas podem causar efeitos adversos quando ultrapassam o limite especificado; o ferro reduz a ductilidade, o estanho causa fragilidade a quente e o alumínio promove a corrosão intergranular; e ainda o cádmio e cobre, apesar de adicionados em algumas ligas puras para elevar a resistência mecânica, causam redução da ductilidade e o cobre, particularmente, provoca também redução da resistência à corrosão. As propriedades mecânicas dessas ligas são determinadas a partir de corpos de prova retirados no sentido longitudinal e transversal da direção de trabalho mecânico (laminação), para as condições de trabalho mecânico a quente e a frio e para uma determinada espessura de trabalho (laminado). A Tabela 4 apresenta alguns valores típicos para as seis principais ligas. A liga superplástica apresenta, na condição laminada, um limite de resistência à tração de 300 MPa e um alongamento de 27%, e na condição recozida (315 oC, resfriada ao ar) 400 MPa e 11% respectivamente.
Tabela 4 - Propriedades mecânicas para algumas ligas de zinco trabalhadas (Bresciani Filho, 1997).
CONSTITUIÇÃO E PROPRIEDADES DAS LIGAS DE ZINCO PARA FUNDIÇÃO: As ligas de zinco usadas industrialmente para fundição sob pressão são as comercialmente chamadas "zamac". São ligas de zinco com alumínio, cobre e magnésio. De todas as ligas não ferrosas para fundição sob pressão, as ligas de zinco são as que possuem maior campo de utilização, devido as suas particulares propriedades físicas, meca "nicas e de fundição, associadas a uma capacidade de poderem ser facilmente revestidas por eletrodeposição (cobreação, niquelação e cromação) ou por pinturas com tintas e vernizes. o
Os seus baixos pontos de fusão (aproximadamente 385 C) conferem ao molde permanente longa vida, permitindo a produção de grandes séries de peças fundidas. A
grande fluidez dessas ligas facilita a obtenção de peças de formato complexo e de paredes finas. Podem ser usadas também para a fundição por gravidade em moldes permanentes. São metais de fácil usinagem. As duas ligas de uso comum tem as suas composições indicadas na Tabela 5.
Tabela 5 - Composição química para ligas de zinco fundidas (Bresciani Filho, 1997).
O fator determinante da grande estabilidade das características mecânicas e dimensionais das peças fundidas sob pressão em ligas de zinco é a pureza dos componentes da liga. O zinco utilizado no preparo da liga é do tipo "special high grade", com teor mínimo de 99,97%. Os elementos de liga apresentam os seguintes efeitos: Alumínio - é o elemento adicionado em maior teor, por aumentar sensivelmente a resistência e a dureza da liga, bem como sua fluidez, permitindo a obtenção de peças fundidas de formatos complicados. Outra vantagem dessa adição é de diminuir a ação corrosiva do zinco líquido sobre as partes de aço da máquina e das ferramentas de injeção. Entretanto, se o teor do alumínio for superior a 4,5%, a liga aproxima-se do ponto eutético (a 5% de alumínio), reduzindo-se sua resistência ao choque. Nessas condições, a liga é frágil, podendo fissurar durante as operações de endireitamento ou conformação. Por outro lado, se o teor do alumínio for inferior a 3,5%, a liga perde resistência e dureza, decrescendo também sua fundibilidade, o que torna difícil a obtenção de peças de formato complexo e de paredes finas. Magnésio - apesar do teor de magnésio especificado ser relativamente pequeno, este metal tem grande influência nas propriedades das ligas de zinco para fundição sob pressão. Sendo o magnésio mais eletronegativo que o zinco, inibe a corrosão intergranular da liga e, associando-se ao eutético do chumbo, cádmio e estanho nos contornos dos grãos reduz a diferença de potencial entre o zinco e o eutético. Entretanto, é aconselhável manter o teor de magnésio abaixo de 0,06% pois este metal tende a provocar "fragilidade a quente" na peça fundida, particularmente quando esta é de formato complicado e não existe espaço suficiente na ferramenta para permitir a sua contração.
Cobre - A adição de cobre aumenta a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a dureza da liga. Entretanto, o teor não deve exceder a 1,25%, pois, acima deste, a liga torna-se instável por ficar sujeita ao "envelhecimento", reduzindo-se sensivelmente, sua resistência ao choque. Um teor de cobre acima de 0,6% já provoca o fenômeno da precipitação, o qual afeta a estabilidade dimensional da peça. Apesar do zamac 5 ter o teor de cobre fixado em 1%, as mudanças dimensionais não são grandes e ocorrem poucas semanas após a fundição; a menos que a peça seja relativamente grande ou requeira tolerâncias dimensionais muito estreitas, as alterações dimensionais podem ser consideradas desprezíveis. Para aplicações que exigem alta precisão dimensional da peça, a liga zamac 3, isenta de cobre, deve ser usada. Microestrutura- tomando como exemplo a liga zamac 3, contendo 4% de alumínio, observa-se que a estrutura da liga é constituída, após completa a solidificação, por cristais (hexagonais) primários da fase rica em zinco (98,86% Zn), envolvidos por uma matriz eutética, consistindo dessa mesma fase e de uma segunda fase (cristais cúbicos) rica em alumínio (17,2% Al). No resfriamento da liga, essas duas fases precipitam o excesso do soluto e, a 272oC, suas composições são, respectivamente, 99,3% Zn - 0,70% Al e 78% Zn - 22% Al. Nessa temperatura a fase rica em alumínio sofre uma transformação eutetóide, decompondo-se em duas fases de composição 99,3% Zn 0,70% Al e 31,6% Zn - 68,4% Al, respectivamente. A fase rica em alumínio do eutetóide resfria-se até a temperatura ambiente, retendo um excesso de zinco em solução, porém a fase rica em zinco e os cristais primários ricos em zinco continuam a precipitar o alumínio até a temperatura ambiente e, posteriormente, por cerca de três anos, até que permaneça em solução 0,04% de alumínio. Apesar das estruturas das ligas diferirem em função da variação das quantidades dos elementos de liga presentes, a estrutura básica, descrita acima, permanece praticamente inalterada. Impurezas- as impurezas chumbo, cádmio e estanho estão invariavelmente associadas ao minério de zinco e, dessa forma, permanecem em uma certa quantidade no metal zinco. Entretanto, desde que mantidas dentro dos limites especificados, é possível obter um metal de alta qualidade, adequado à fabricação de ligas para fundição sob pressão. Essas impurezas são metais de alta densidade e baixo ponto de fusão; praticamente, não formam soluções sólidas com o zinco, criando, porém, eutéticos com o zinco de muito baixo ponto de fusão. Portanto, se as impurezas chumbo, cádmio e estanho estiverem presentes na liga, serão as últimas a se solidificarem, segregando-se nos contornos dos grãos. Essa rede de metais, relativamente mais nobres que o zinco, ao longo dos contornos dos grãos do zinco (que contém também alumínio ligado), produz um grande número de células eletroquimicamente ativas, quando a superfície do metal
entra em contato com a umidade ambiente. Então, o zinco, mais eletronegativo e imediatamente adjacente ao contorno do grão, é atacado , dando origem à corrosão intergranular. A corrosão intergranular, nesse caso, inicia na superfície da peça fundida, penetrando, com o decorrer do tempo, cada vez mais profundamente e seguindo os contornos dos grãos, até que toda a peça seja corroída. Outros metais que provocam efeito semelhante, tais como: índio, tálio, bismuto, mercúrio e outros, usualmente não estão presentes como impurezas. O chumbo, o estanho, particularmente, o cádmio, acima dos teores especificados, provocam também "fragilidade a quente" na peça fundida. O ferro é um elemento indesejável nas ligas de zinco para fundição sob pressão, porém pequenos teores (de até 0,1%) têm pouca influência nas propriedades mecânicas e nas características de envelhecimento. Com um teor de ferro mais elevado, os compostos intermetálicos ferro - alumínio (FeAl 3, Fe2 Al 5 ), que, se não retirados na escumagem. do banho no cadinho, segregam na peça fundida e criam os chamados "pontos duros", causadores de dificuldades na usinagem.
RESISTÊNCIA À CORROSÃO DAS LIGAS DE ZINCO: As ligas zamac da mesma forma que o zinco puro, possuem elevada resistência à corrosão por agentes atmosféricos, (em ambiente de umidade não muito elevado), hidrocarbonetos (gasolina, óleos), álcool, tricloroetileno e outros. Entretanto, são atacadas por bases fortes e ácidos. As peças de zamac não devem também manter contato constante com vapores d'água, pois, a longo prazo, podem sofrer um processo corrosivo. No caso onde intervém a água em circuitos fechados, a adição de inibidores pode proporcionar bons resultados; por exemplo, a adição de 0,1 a 0,3% de bicromato de sódio ou 1% de boro à água reduz sensivelmente a suscetibilidade do zamac à corrosão.
Tabela 6 - Propriedades mecânicas do zamac 3 e 5.
As propriedades de tração (limite de resistência e alongamento) foram determinadas em corpos de prova de seção circular de 6 mm, fundidos sob pressão e ensaiados no estado bruto de fusão. O comprimento calibrado para a determinação do alongamento é de 50 mm.
As ligas de zinco podem ser utilizadas em baixas temperaturas, pois suas propriedades mecânicas são alteradas da mesma forma que ocorre em outros materiais; ou seja, aumentam o limite de resistência e a dureza, enquanto diminuem o alongamento e a resistência ao choque. Deve-se entretanto, considerar que essas variações de propriedades são reversíveis, adquirindo o material as mesmas propriedades originais quando a temperatura retorna ao seu valor inicial. Por outro lado, quando a peça fundida o
em zamac deve trabalhar em temperaturas superiores a 90 C, deve-se prever, cuidadosamente, as solicitações mecânicas aplicadas, pois poderão ocorrer deformações plásticas (e, portanto, irreversível), devido ao fenômeno de fluência.
USOS TÍPICOS DAS LIGAS DE ZINCO O zamac 3 é recomendado para as peças que devem apresentar mais estabilidade dimensional; além disso essa liga apresenta maior resistência à corrosão. O zamac
5,
por
sua
vez,
apresenta
maior
dureza
e
resistência
mecânica,
e
conseqüentemente maior resistência ao desgaste e à fluência; a usinabilidade dessa liga é também maior do que a primeira. A película formada pela oxidação superficial nessas ligas tem características porosas, o que contribui para reter lubrificantes e elevar a resistência do desgaste em peças móveis. As principais áreas de aplicação, com ou sem revestimento superficial dependendo do emprego especifico, são: componentes de automóveis (carcaças de instrumentos, do alternador e de bombas; maçanetas, buchas e engrenagens de instrumentos, tampas do tanque, etc.), componentes de aparelhos eletrodomésticos (carcaças de motores, engrenagens, dobradiças, etc.), componentes de máquinas de escritório e de computação, brinquedos e ferragens de construção civil diversas.
BIBLIOGRAFIA 1. Bresciani Filho, E., Seleção de Metais Não Ferrosos, Editora da Unicamp, Campinas, SP, 1997. 2. Betteridge, W., Nickel and its Alloys, MacDonald and Evans Estover, 1977. Gomes, M.R., Bresciani F., E., Propriedades e Usos de Metais Não Ferrosos, 3. ABM, SP, 1979 (3a impressão). 4. Metals Handbook, Vol. 2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, ASM, M. Park, 1979, pp. 275382, pp. 458-483 (copper); pp. 627-656 (zinc). 5. Metals Handbook, Vol. 3 - Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials and Special Purpose Metals, ASM, M, Park, 1980, pp. 125-178 (nickel). 6. Morgan, S.W.K., Zinc and its Alloys , McDonald and Evans, Estover, 1977.
