Metais nao ferrosos
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O documento descreve os principais metais não ferrosos utilizados em equipamentos de processos químicos, incluindo suas propriedades e aplicações. Descreve o cobre, latões, bronzes, cobre-níquel, alumínio, níquel e suas ligas, detalhando sua composição química, resistência mecânica e à corrosão, e onde cada um é mais comumente utilizado.
Metais nao ferrosos
- 1. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton Metais Não Ferrosos 8.1 - Introdução Denominam-se metais não ferrosos, os metais em que não haja ferro ou em que o ferro está presente em pequenas quantidades, como elemento de liga Os metais não ferrosos são mais caros e apresentam maior resistência à corrosão, menor resistência mecânica, pior resistência a temperaturas elevadas e melhor resistência em baixas temperaturas que o aço carbono. Os principais serviços com metais não ferrosos são os serviços de corrosão e de não contaminação pelo produto da corrosão, como em situações extremas de temperaturas baixas e altas. Abaixo faremos uma exposição dos principais metais não ferrosos utilizados em equipamento de processos. 8.2 – Cobre e ligas de cobre São usualmente utilizados cerca de 50 tipos de cobre e ligas em equipamento de processos, os quais podem ser classificados em: cobre comercial, latões, bronzes e cobre- níquel 8.2.1 - Cobre comercial O cobre comercial apresenta pelo menos 95% de cobre (veja tabela 8.1). A principal fraqueza desse material e o descaimento de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas, permitem-se o uso do cobre comercial até a temperatura de 200O C. A temperatura máxima de utilização e seu elevado custo restringem a utilização deste material. Devido sua estrutura CFC, o cobre não apresenta transição dúctil-frágil e pode ser utilizado sem teste de impacto até a temperatura de – 200O C. A resistência do cobre comercial à corrosão assim como as ligas de cobre é conseqüência da formação de uma camada passivadora de vários compostos de cobre,
- 2. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton diferindo da camada passivadora de óxidos dos aços. Deve-se lembrar que o cobre e suas ligas são altamente catódicos em relação ao aço carbono, a união cobre aço carbono, causará uma intensa corrosão galvânica na presença de meios eletrolíticos. O cobre comercial apresenta excelente resistência à corrosão atmosférica úmida e poluída, e também às águas salobras e salgada, aos meios não oxidantes, aos compostos orgânicos (álcoois, aldeídos, cetonas, hidrocarbonetos, ácidos graxos, etc). Apresenta baixa resistência a corrosão em meios ácidos oxidantes fortes (nítrico, sulfúrico, crômico, entre outros). Tanto o cobre como suas ligas apresentam corrosão sob tensão em meios onde houver a presença de amônia, aminas, sais amoniacais, cianetos entre outros compostos nitrogenados. Não se pode utilizar o cobre e suas ligas em serviços com o acetileno, pois há a formação de um produto explosivo. Tabela 8.1 Composição quimica Especificação da ASTM numeração CDA Material Cobre Elementos L R Kg mm2 Chapas Tubos para água Tubos sem costura Tubos condensadores C 12200 Cobre Fosforoso 99,9 P: 0,015-0,040 21 B-11 B-88 B-75 B-111 C 14100 Cobre arsenical 99,4 As: 0,15-0,50 21 B-11 B-75 B-111 C 14200 Cobre fordoroso -arsenical 99,4 P: 0,015-0,040 As: 0,15-0,50 21 B-11 B-75 B-111 8.2.2 - Latões Os latões são ligas de cobre com até 40% de zinco e pequenas concentrações de outros elementos (veja tabela 8.2). O aumento da quantidade de zinco na solução sólida
- 3. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton diminui o custo do mateial e também diminui a resistência à corrosão. Para quantidades superiores a 15% ocorrerá grave dezincificação (ver tópico de formas de corrosão), o que pode ser observado pela mudança de cor do latão que passa do amarelo para o vermelho cobre. A dezincificação pode ser controlada com a adição de As ou Sb. Os latões são usados, principalmente para tubos e espelhos de troca de calor, bem como para válvulas de pequeno diâmetro, sempre que o serviço for realizado em baixas pressões, devido à pequena resistência mecânica dos latões. Tabela 8.2 Composição química Normas ASTM Numeraçã o CDA Nome Cu Zn Outros LR Kg/m m2 Chapas Tubos troca de calor Pça Fundi da C44300 Latão almirantado 70-73 25-28 Sn: 0,9-1,2 Fé, Pb, AS 32 B-111 C44500 70-72 25-28 Sn: 0,9-1,2 Fé, Pb, P 31,5 B-111 C46400 Latão naval 59-62 36-39 Sn: 0,5-1 Pb: 0,2 35 B-171 C28000 Metal Muntz 59-63 36-40 Pb: 0,3 Fe 35 B-111 C68700 Latão de alumínio 76-79 18-22 Al: 1,8-2,5 Fé, Pb, As 35 B-111 C85200 Latão de fundição 70-74 17-20 Sn: 0,7-2 Pb: 1,5-3,7 21 B-146 C23000 Latão vermelho 84-86 13-17 Pb: 0,06 25 C33000 Latão chumbo 62-66 33-37 Pb: 0,5 30 Os elementos sem especificação de porcentagem são adicionados em pequenas quantidades.
- 4. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton 8.2.3 - Bronzes Os bronzes são ligas de cobre criadas com o intuito de melhorar a resistência à temperatura e a resistência mecânica. Os elementos de liga associados ao cobre (85-95%) são: Sb, Al, P, Si. Como sabemos os elementos Si e Al são desoxidantes sendo o Al mais utilizado em equipamentos de processos. Os bronzes industriais podem ser utilizados entre as temperaturas de -200O C a 370O C. A resistência dos bronzes são similares a do cobre comercial e também estão sujeitos a corrosão sob tensão em presença de amônia, aminas, sais amoniacais, e mercúrio. São empregados para a construção de válvulas pequenas e para o mecanismo interno de válvulas grandes e paras os espelhos de trocadores de calor. 8.2.4 – Cobre-Níquel O níquel e o cobre possuem tamanhos atômicos próximos, assim a liga cobre níquel formam soluções sólidas substitucionais praticamente em qualquer proporção. Os cobre níquel possuem melhor resistência à corrosão e à temperaturas elevadas, mas também eleva o preço do material. A resistência mecânica do cobre-níquel é semelhante a do bronze e sua resistência à corrosão é semelhante a do cobre comercial. São usados principalmente para feixes tubulares de trocadores de calor, onde circula água salgada ou outras águas agressivas e para tubulações de águas agressivas e de ácidos diluídos com pequenos diâmetros, onde não é possível o uso do aço carbono. 8.3 - Alumínios e suas ligas O alumino é um metal de baixa densidade e alta condutividade térmica e baixa resistência mecânica. Com uma estrutura CFC o alumínio pode ser utilizado para serviços até próximo do zero absoluto, pois não apresenta a transição dúctil-frágil, sua resistência mecânica (LR e LE especificamente) aumenta com a diminuição da temperatura.. Para temperaturas elevadas a resistência mecânica do alumínio decai tornando seu uso impróprio para temperaturas acima de 150O C.
- 5. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton O alumínio forma uma fina camada passivadora de óxido muito estável e tenaz, sendo praticamente inerte à atmosfera e apresentando uma boa corrosão às águas salinas, alcalinas e acidas. Apresenta também boa corrosão nos seguintes meios corrosivos: Oxigênio, água oxigenada, acido nítrico, amônia e compostos amoniacais, álcoois ésteres, éteres, cetonas, aminas, ácidos orgânicos, hidrocarbonetos; todos em temperatura ambiente Enxofre, H2S, SO2, sulfetos e produtos sulfurosos provenientes dos hidrocarbonetos, em altas temperaturas. CO, CO2, ácido carbono Acetileno , HCN, amônia anidra ou hidratada. O alumínio é altamente atacado quimicamente (corrosão química) por acido minerais não oxidante (HCl, HF, H2SO4, etc) pela soda e potassa cáusticas, e por soluções fortemente alcalinas. O mercúrio e compostos mercuriais causam corrosão sob tensão no alumínio Graças ao seu excelente desempenho em baixas temperaturas o Alumínio é usado para serviços criogênicos com gases liquefeitos e serviços a baixa temperatura em que as condições de corrosão e segurança o permitam. 8.4 Níquel e ligas Tanto o níquel quanto suas ligas apresentam excelente resistência a corrosão e resistência mecânica em temperaturas elevadas e baixas. Na tabela 8.3 pode-se observar várias ligas de níquel patenteadas e suas principais propriedades. O custo elevado das ligas de níquel fazem que estes matérias sejam poucos usados a baixa temperatura, onde se prefere usar materiais mais baratos como o alumínio e os aços austeníticos. Normalmente emprega-se o níquel em ambientes corrosivos severos de cáusticos sendo oníquel 201 o mais empregado para esses serviços em temperaturas de 300O C. De todas as ligas de níquel o metal monel é o mais utilizado em equipamentos de processos, sendo usados para tubulações e válvulas de pequeno diâmetro , para tubulações de trocadores de calor e como material de revestimento anticorrosivo.
- 6. Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton Os Inconel e os Incoloys foram criados para serviços severos: oxidantes ou redutores, em temperaturas elevadas. Os Hasteloy são ligas de níquel de alto custo com grandes quantidade de Mo, podendo também conter Cr, Co, W, V e outros metais, são classificados em tipos B, C, D, e G. Os hasteloy tipo B é uma das ligas industriais mais resistentes à corrosão que existe. O custo extremamente elevado destas ligas inclusive ao custo do Titânio, limita seu emprego em alguns casos excepcionais, quando não houver outras alternativas. São usados em trocadores de calor e peças pequenas. Tabela 8.3