O zinco é um metal frágil e tem um ponto de fusão relativamente baixo de 419°C (787°F), resiste à corrosão, é dúctil e maleável e é altamente solúvel em cobre. Zinco e ligas de zinco são usados na forma de revestimentos, peças fundidas, chapas laminadas, fios trefilados, peças forjadas e extrusões. Outros usos do zinco são como constituinte principal em ligas de níquel-prata de latão, metal de máquina de escrever, solda macia e de alumínio e bronze comercial.
As ligas de zinco com pequenas quantidades de cobre, alumínio e magnésio são úteis na fundição sob pressão, bem como na fundição por rotação, especialmente nas indústrias automotiva, elétrica e de hardware. As ligas de zinco têm pontos de fusão baixos, requerem entrada de calor relativamente baixa, não requerem fluxo ou atmosferas protetoras. Devido à sua alta fluidez, as ligas de zinco podem ser fundidas em paredes muito mais finas do que outras ligas fundidas sob pressão e podem ser fundidas sob pressão com tolerâncias dimensionais mais rígidas. Estas ligas de zinco são comercializadas sob o nome Zamak. O nome zamak é um acrônimo dos nomes alemães dos metais que compõem as ligas: Zink (zinco), Aluminium, Magnesium e Kupfer (cobre). O baixo ponto de fusão junto com a baixa viscosidade da liga possibilita a produção de formas pequenas e intrincadas.
Como revestimento, o zinco fornece proteção contra corrosão para ferro e aço (aço galvanizado). O revestimento de aço constitui o maior uso individual de zinco, mas é usado em grandes tonelagens em peças fundidas de ligas de zinco, como pó e óxido de zinco e em produtos forjados de zinco. Aço galvanizado é simplesmente aço carbono revestido com uma fina camada de zinco. O zinco protege o ferro corroendo primeiro, mas o zinco corrói a taxas muito mais baixas do que o aço. Caso o metal subjacente fique exposto, a proteção pode continuar enquanto houver zinco próximo o suficiente para ser eletricamente acoplado. Depois que todo o zinco na área imediata for consumido, pode ocorrer corrosão localizada do metal base. Aços de construção galvanizados são o uso mais comum para metal galvanizado, e centenas de milhares de toneladas de produtos de aço são galvanizados anualmente em todo o mundo (chapas metálicas, cercas, telas, parafusos, etc.).
Latão – Liga de Cobre-Zinco
Latão é o termo genérico para uma variedade de ligas de cobre-zinco. O latão pode ser ligado ao zinco em diferentes proporções, o que resulta em um material com propriedades mecânicas, de corrosão e térmicas variadas. Maiores quantidades de zinco fornecem ao material maior resistência e ductilidade. Os latões com teor de cobre superior a 63% são os mais dúcteis de qualquer liga de cobre e são moldados por complexas operações de conformação a frio. O latão tem maior maleabilidade do que o bronze ou o zinco. O ponto de fusão relativamente baixo do latão e sua fluidez o tornam um material relativamente fácil de fundir. O latão pode variar na cor da superfície de vermelho a amarelo, de ouro a prata, dependendo do teor de zinco. Alguns dos usos comuns para ligas de latão incluem bijuterias, fechaduras, dobradiças, engrenagens, rolamentos, acoplamentos de mangueiras, cartuchos de munição, radiadores automotivos, instrumentos musicais, embalagens eletrônicas e moedas.
Níquel prata
A prata de níquel, também conhecida como prata alemã, latão de níquel ou alpacca, é uma liga de cobre com níquel e frequentemente zinco. A formulação usual é de 60% de cobre, 20% de níquel e 20% de zinco. Por exemplo, a liga C75700 contém 63,5 a 66,5% de Cu, 11,0 a 13,0% de Ni, 0,05% Pb max, 0,25% Fe max, 0,5% Mn max e equilíbrio de Zn. A liga de cobre de níquel prata 65-12 UNS C75700 possui boa resistência à corrosão e manchas e alta capacidade de conformação. A prata níquel é nomeada devido à sua aparência prateada, mas não contém prata elementar, a menos que seja banhada. As ligas de níquel-prata são usadas para aplicações decorativas, joalheria, modelagem, instrumentos musicais (por exemplo, flautas, clarinetes), refis de ponta esférica de flautas, parafusos, rebites e varas de pescar, sondas de teste.
Zamac – Zamac 3
Os fardos é uma família de ligas com um metal base de zinco e elementos de liga de alumínio, magnésio e cobre. As ligas de zinco com pequenas quantidades de cobre, alumínio e magnésio são úteis na fundição sob pressão, bem como na fundição por rotação, especialmente nas indústrias automotiva, elétrica e de hardware. As ligas de zinco têm pontos de fusão baixos, requerem entrada de calor relativamente baixa, não requerem fluxo ou atmosferas protetoras. Devido à sua alta fluidez, as ligas de zinco podem ser fundidas em paredes muito mais finas do que outras ligas fundidas sob pressão e podem ser fundidas sob pressão com tolerâncias dimensionais mais rígidas. Estas ligas de zinco são comercializadas sob o nome Zamak. O nome zamak é um acrônimo dos nomes alemães dos metais que compõem as ligas: Zink (zinco), Aluminium, Magnesium e Kupfer (cobre).
Por exemplo, Zamak 3 (ASTM AG40A), ou Liga de Zinco 3, é a liga de zinco mais amplamente utilizada na indústria de fundição sob pressão de zinco e geralmente é a primeira escolha quando se considera o zinco para fundição sob pressão por vários motivos. Ele fornece a melhor combinação geral de resistência, fundibilidade, estabilidade dimensional, facilidade de acabamento e custo.
- Excelentes propriedades físicas e mecânicas
- Excelente fundibilidade e estabilidade dimensional a longo prazo
- Excelentes características de acabamento para revestimento, pintura e tratamentos de cromagem
- Excelente capacidade de amortecimento e atenuação de vibração em comparação com ligas de alumínio fundido
As aplicações típicas incluem fundição sob pressão, como peças automotivas, eletrodomésticos e acessórios, equipamentos de escritório e de informática, hardware de construção.
Propriedades das Ligas de Zinco – Zamak 3
As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, ou seja, independem da quantidade de massa e podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer momento. A base da ciência dos materiais envolve estudar a estrutura dos materiais e relacioná-los com suas propriedades (mecânicas, elétricas, etc.). Uma vez que um cientista de materiais conheça essa correlação estrutura-propriedade, ele poderá estudar o desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação. Os principais determinantes da estrutura de um material e, portanto, de suas propriedades são seus elementos químicos constituintes e a maneira como ele foi processado em sua forma final.
Densidade de Ligas de Zinco – Zamak 3
A densidade da liga de zinco – Zamak 3 é de 6,6 g/cm3 (0,24 lb/in3).
A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida por volume:
ρ = m/V
Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é quilogramas por metro cúbico (kg/m3). A unidade padrão inglesa é libras-massa por pé cúbico (lbm/ft3).
Como a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância, é óbvio que a densidade de uma substância depende fortemente de sua massa atômica e também de a densidade do número atômico (N; átomos/cm3),
- Peso Atômico. A massa atômica é transportada pelo núcleo atômico, que ocupa apenas cerca de 10-12 do volume total do átomo ou menos, mas contém toda a carga positiva e pelo menos 99,95% da massa total do átomo. Portanto, é determinado pelo número de massa (número de prótons e nêutrons).
- Densidade de Número Atômico. A densidade de número atômico (N; átomos/cm3), que está associada aos raios atômicos, é o número de átomos de um determinado tipo por unidade de volume (V; cm3) do material. A densidade do número atômico (N; átomos/cm3) de um material puro com peso atômico ou molecular (M; gramas/mol) e a densidade do material (⍴; grama/cm3) é facilmente calculada a partir da seguinte equação usando o número de Avogadro (NA = 6,022 × 1023 átomos ou moléculas por mol):
- Estrutura de cristal. A densidade da substância cristalina é significativamente afetada por sua estrutura cristalina. A estrutura FCC, junto com seu parente hexagonal (hcp), tem o fator de empacotamento mais eficiente (74%). Metais contendo estruturas FCC incluem austenita, alumínio, cobre, chumbo, prata, ouro, níquel, platina e tório.
Propriedades Mecânicas das Ligas de Zinco – Zamak 3
Os materiais são freqüentemente escolhidos para várias aplicações porque possuem combinações desejáveis de características mecânicas. Para aplicações estruturais, as propriedades do material são cruciais e os engenheiros devem levá-las em consideração.
Resistência das Ligas de Zinco – Zamak 3
Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.
Resistência à tração
A resistência à tração máxima da liga de zinco – Zamak 3 é de cerca de 268 MPa.
A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.
Força de Rendimento
A resistência ao escoamento da liga de zinco – Zamak 3 é de cerca de 208 MPa.
O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.
Módulo de elasticidade de Young
O módulo de elasticidade de Young da liga de zinco – Zamak 3 é de cerca de 96 GPa.
O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.
Dureza das Ligas de Zinco – Zamak 3
A dureza Brinell da liga de zinco – Zamak 3 é de aproximadamente 82 HB.
O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.
O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.
Propriedades Térmicas das Ligas de Zinco – Zamak 3
As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.
A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.
Ponto de Fusão das Ligas de Zinco – Zamak 3
O ponto de fusão da liga de zinco – Zamak 3 é em torno de 385°C.
Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.
Condutividade Térmica de Ligas de Zinco – Zamak 3
A condutividade térmica da liga de zinco – Zamak 3 é de 113 W/(mK).
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:
A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
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