Como se fabrica uma liga com memória de forma?

Como se fabrica uma liga com memória de

forma?

Grupo 1EMM-1_01:

Ana Teixeira; Iris Carneiro; Dulce Silva; Pedro Costa; Sara Cunha; Tatiana Padrão;

Disciplina:

Projeto FEUP

Monitor:

Bruno Duarte

Coordenador:

Manuel Vieira

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Resumo

Neste relatório foi feita uma pesquisa acerca da produção de ligas com memória de forma.

Para isso o grupo dividiu-se em quatro subgrupos com diferentes temas de pesquisa: importância do níquel (propriedades e aplicações), os principais minérios de níquel e as suas ocorrências, produção e extracção do níquel e parâmetros da produção de ligas com memória de forma (Ti-Ni).

Foi portanto efectuada uma pesquisa com base em livros e sites científicos, bem como teses e outros trabalhos de carácter científico, os diferentes ramos foram por fim interligados e compilados neste relatório.

Houve porém também uma parte prática igualmente importante, realizada no dia 8 de Outubro de 2012 no Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP), com auxílio da Doutora Sónia Simões, em que foi produzida uma liga Ti-Ni com um forno de arco numa atmosfera controlada.

Este projecto contou também a ajuda do coordenador, Professor Manuel Vieira, e também do monitor Bruno Duarte, que nos acompanharam ao longo de toda a elaboração do trabalho.

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Índice

1. Introdução ... 4

2. Importância do níquel: propriedades e aplicações ... 5

2.1 Propriedades ... 5

Tabela 1- Propriedades do níquel ... 5

Tabela 2 - Propriedades atómicas ... 5

Tabela 3 - Propriedades físicas* [2,3] ... 6

2.2 Aplicações ... 6

3. Os principais minérios de níquel e as suas ocorrências (tipo de minas e sua localização) ... 7

Tabela 4 – Os 10 maiores produtores Mundiais de Níquel (2010) ... 7

4. Extracção e produção do níquel a partir dos seus minérios ... 8

5. Parâmetros da Produção de Ligas com Memória de Forma ... 9

6. Conclusão ... 11

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1. Introdução

Neste trabalho abordamos como principais assuntos o níquel, as ligas com memória de forma e como conseguir obter essas mesmas ligas.

O níquel pode ser encontrado em alguns minerais, pertence a classe dos metais e tem características específicas. Algumas dessas características são a cor, a dureza, entre outras. Não é o metal mais comum de encontrar no nosso planeta, apesar de se acreditar que exista abundantemente na sua constituição. Nos dias de hoje este metal tem inúmeras aplicações nos mais diversos ramos da engenharia principalmente devido à sua resistência e à sua baixa reactividade, é usado por exemplo na produção de aço inoxidável.

As ligas com memória de forma Ti-Ni, são constituidas por níquel e titânio em partes iguais. Dos diversos tipos de ligas com memória de forma, este destaca-se pelo baixo custo de produção, bem como pelo facto de serem biocompativeis, o que as torna ideais para algumas aplicações no ramo da medicina, como na ortodontia por exemplo. Estas ligas são também usadas na mecânica de aviões.

O que torna estas ligas tão úteis, é o facto de terem a capacidade de retomarem à sua forma original quando sujeitas a alterações térmicas significativas, após uma dada deformação.

As ligas de memória de forma podem ser obtidas por diferentes processos, como a fusão por feixe de electrões, e o uso de um forno de arco, entre muitos outros.

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2. Importância do níquel: propriedades e aplicações

2.1 Propriedades

O níquel (Ni), encontrado em alguns minerais, é um elemento químico da classe dos metais. Este apresenta uma cor branca-acinzentada e tem uma aparência brilhante, é dúctil e maleável, porém não pode ser laminado, polido ou forjado facilmente, apresentando um certo carácter ferromagnético. É um elemento pouco abundante na superfície terrestre (a percentagem de níquel existente é na ordem de 0.008%), mas pensa-se que seja um dos constituintes principais do núcleo do nosso planeta (juntamente com o ferro)[1], [2].

Tabela 1- Propriedades do níquel

Nome Níquel

Símbolo Ni

Número atómico 28

Classe Metal

Série química Metal de transição

Grupo 10

Período 4

Bloco d

Dureza de risca 4.0

Densidade 8908 kg/m3

Tabela 2 - Propriedades atómicas

Massa atómica 58.6934 u

Configuração electrónica [Ar] 3d8 4s2

Raio atómico 135 (149) pm

Raio covalente 121 pm

Estados de oxidação +2, +3 (mais comuns) Estrutura cristalina cúbica de faces centradas

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Tabela 3 - Propriedades físicas*

[2,3]

Estado físico Sólido

Ponto de ebulição 3186 K

Ponto de fusão 1728 K

Volume molar 6.59 x 10-6 m3/mol

Entalpia de fusão 17.47 kJ/mol

Condutividade térmica 90.7 W/ m.K Condutividade eléctrica 14.3 106/m ohm

Capacidade calorífica 440 J/Kg K

*em condições normais de pressão e temperatura

2.2 Aplicações

Puro ou em ligas metálicas, o níquel tem várias aplicações.

Desde a antiguidade que o níquel é usado pelos homens. Os primeiros registos do uso do níquel pelo homem remontam à presença deste metal em moedas japonesas de 800 anos A.C., gregas de 300 anos A.C., e em armamentos de 300 a 400 anos A.C.

Actualmente, estando o homem numa era industrial de uso e aplicação intensiva deste metal, cerca de 65% do níquel consumido é empregue na fabricação de aço inoxidável (visto este ser um metal muito resistente à corrosão) e 12% em superligas de níquel. Os restantes 23% são repartidos na produção de outras ligas metálicas, baterias recarregáveis, reacções de catálise, cunhagens de moedas, revestimentos metálicos (niquelagem) entre outros.

O aço inoxidável é usado nas mais diversas aplicações desde o simples material de cozinha até ao material de construção para os caminhos-de-ferro ou para a construção de plataformas petrolíferas.

Algumas ligas que contêm níquel têm aplicações interessantes, tais como:

 Alnico, ligas para ímanes;

 O Monel (liga de níquel e cobre) é extremamente resistente à corrosão na água salgada e em meios ácidos, sendo por isso utilizada na indústria naval, química e alimentar;

 O nitinol-55 (liga níquel-titânio) apresenta o fenómeno de memória de forma e é usado em robótica, também existem ligas que apresentam superelasticidade;

 O Invar (liga de 64% ferro e 36% níquel) deve o seu nome ao facto de ter um coeficiente de expansão térmica muito baixo e portanto praticamente não se expandir sobre a acção do calor, assim sendo é muito usada em diversos instrumentos de medida e precisão;

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 Ligas de níquel e crómio são constituintes comuns nas resistências de torradeiras e fornos;

 O alumineto de níquel (Ni3Al) é um composto para aplicações especiais uma

vez que a resistência deste material aumenta com a temperatura podendo ser utilizado a temperaturas acima dos 1000ºC, é principalmente utilizado na construção de motores que funcionam a alta temperatura;

 Outra utilização das ligas de níquel é a da cunhagem de moedas (a moeda de 5 cêntimos de dólar americano é designada por nickel (níquel)) [1,4,5,6].

3. Os principais minérios de níquel e as suas ocorrências

(tipo de minas e sua localização)

O níquel encontra-se na Natureza na forma de sulfuretos, que se encontram associados a outros sulfuretos metálicos em rochas básicas. Para além dos sulfuretos, existem também os silicatos, os arseniatos e os óxidos [7]. O níquel também pode ser encontrado nos nódulos oceânicos de manganês (cerca de 1,3% de níquel) e associado a ferro em meteoritos (25% - 80% de níquel).

Os principais minérios de níquel podem ser encontrados em jazidas de céu aberto. O teor de níquel num determinado minério e a concentração desse mesmo minério, numa área bem definida e relativamente pequena da crosta terrestre, definem os depósitos minerais, que são explorados de acordo com as suas reservas [7].

Em 2010, as reservas mundiais de níquel foram definidas, de acordo com os já supracitados depósitos minerais, que surgem em vários países, como se pode verificar: na tabela 4 [8].

Tabela 4 – Os 10 maiores produtores Mundiais de Níquel (2010)

País Produção (milhares de toneladas)

1. China 318 2. Rússia 265 3. Japão 160 4. Canadá 105 5. Austrália 101 6. Noruega 92 7. Colômbia 49 8. Finlândia 47 9. Nova Caledónia 40 10. África do Sul 36

Pela análise da Tabela 4, podemos constatar a China, a Rússia e o Japão, lideravam a produção de níquel Mundial no ano de 2010, seguidos do Canadá e da Austrália.

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4. Extracção e produção do níquel a partir dos seus

minérios

O níquel é geralmente extraído de dois tipos de depósitos de minério: sulfuretos e lateritas (óxidos). Utilizando as tecnologias pirometalúrgica e hidrometalúrgica, existem hoje quatro processos que são avaliados e utilizados pela indústria do níquel. As actuais tecnologias de processo diferenciam-se basicamente pela etapa inicial. Após a obtenção do sulfureto, todas elas são bastante semelhantes. Como pode ser observado a seguir [9]:

Tabela 5 - Descrição dos Processos de Produção do Níquel [10]

PIROMETALÚRGICO HPAL LIXIVIAÇÃO

AMONIACAL FERRONÍQUEL

Concentração, para elevar o teor do minério a ser alimentado na planta

Eliminação de material de baixo teor Esmagamento, moagem e desumidificação do minério Esmagamento, calcinação em fornos rotativos

Produção de calor por oxidação do enxofre (fornos)

Lixiviação com ácido sulfúrico sob

alta pressão e temperatura, para obtenção dos sulfatos Redução em fornos verticais Fusão em fornos elétricos Formação de um Matte (sulfuretos) Precipitação seletiva dos sulfuretos Arrefecimento para a solubilização dos metais por amónia de forma a obter aminas

solúveis

Formação de Matte utilizando-se enxofre

Ataque com ácido para a obtenção de sulfatos solúveis

Ataque com ácido para a obtenção de sulfatos solúveis Precipitação e filtragem dos carbonatos de níquel Refinação para a eliminação de impurezas e obtenção de ferroníquel Extracção por solvente (SX) do níquel

Electrólise para a obtenção dos cátodos de níquel Metais valiosos precipitados

para tratamento separado

Redução com hidrogénio para a obtenção de pó que

é aglomerado A escória é tratada em

separado num forno eléctrico para disposição dos sulfuretos

Cátodo Ni ou Matte Cátodo ou briquete

9 O processo mais utilizado para a obtenção de minérios sulfetados consiste em duas principais etapas. Na primeira, o minério é submetido a uma concentração que eleva o teor do minério alimentado na planta até 10 vezes. Em seguida, ocorre a oxidação do enxofre em fornos flash ou fornos retangulares, proporcionando a obtenção do Ferroníquel (composto metálico de sulfuretos em geral). A escória resultante, segue para tratamento separado, num forno eléctrico para deposição dos sulfuretos. O Ferroníquel produzido pode ser então comercializado ou seguir para a refinação (segunda etapa do processo).

A refinação consiste no ataque com ácido sulfúrico para obtenção dos sulfatos solúveis, seguido da extracção por solventes (SX) e finalmente a electrólise, para obtenção dos cátodos de níquel e cobalto. Os metais valiosos são precipitados para tratamento em separado.

No caso do processamento dos minérios lateríticos, muitas opções apresentam-se disponíveis para aplicação. Entretanto, a selecção do melhor processo a ser implantando em determinada planta depende inicialmente do minério disponível.

Durante esse processo o enxofre pode ser aproveitado para a produção do matte que será tratado de forma semelhante ao utilizado para minérios sulfetados.

O processo hidrometalúrgico (Caron/Lixiviação Amoniacal), é destinado à produção de níquel electrolítico. Neste processo utiliza-se minérios de várias classes, que são esmagados, moídos, secos e reduzidos em fornos verticais. Depois, são formados os carbonatos que passam por filtragens e pela electrólise para a obtenção dos cátodos [10].

No processo HPAL, o minério pode ser primeiramente enriquecido por meio do beneficiamento físico, com a remoção de sílica. A partir daí, é alimentado juntamente com ácido sulfúrico a uma autoclave, onde o níquel, o cobalto e algumas impurezas são dissolvidos. Em seguida, a solução contendo níquel é separada do rejeito e submetida a etapas sucessivas de precipitação e refino, gerando soluções purificadas de níquel e de cobalto.

A partir dessas soluções, o níquel e o cobalto metálicos de elevada pureza são produzidos por electrólise [11].

5. Parâmetros da Produção de Ligas com Memória de Forma

Existem diversos métodos de produção de ligas Ti-Ni como a fusão utilizando um feixe de electrões, fusão estática, semi-dinâmico (que consiste em alimentação contínua e fusão estática), dinâmico (alimentação contínua e fusão contínua).

No feixe de eletrões, o material é exposto a um feixe eléctrico de elevada velocidade, que provoca o seu aquecimento e consequentemente a sua fusão.

A produção de ligas Ti-Ni usando feixe de electrões (EBM) tem cinco fases:

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 Fusão/lingotamento;

 Forjamento/Laminação a quente;

 Trabalho a frio;

 Conformação para a forma final;

 Tratamento térmico.

O processo de produção destas ligas não é simples dependendo de algumas condições para que resulte perfeitamente.

Tem de haver controlo de vários parâmetros, por exemplo: composição química da liga, e contaminação por carbono e oxigénio que comprometem a qualidade do material.

Os parâmetros usados na experiência de Matsumuto para o fabrico de uma liga equiatómica, usando um forno de eletrões, foram:

 Pressão interna 10^-2 Pa;

 Tensão do feixe de eletrões: 20 keV;

 Intensidade de corrente até 0,2 A;

 Taxa de deslocamento da zona fundida de 20mm/min [12].

Outro processo de produção de uma liga com memória de forma é o forno de arco (usado na experiência realizada no CEMUP (Centro de Materiais da Universidade do Porto) como parte experimental deste projecto), este processo consiste na fusão de níquel e titânio em vácuo e numa atmosfera controlada com árgon (devido à reactividade dos elementos, que reagem com a atmosfera) e foi inicialmente feita a fusão de titânio puro para eliminar impurezas no interior do forno.

Nesta experiência, foram produzidas 10g de liga Ti-Ni, para isso foram usadas 5,5g de titânio fundidas com 4,5g de níquel, obtidos de cálculos previamente realizados pelo grupo.

Uma das vantagens deste método é a sua rapidez e simplicidade, visto que não deixa resíduos, nem necessita de combustível. Nestes fornos existe um eléctrodo (ou mais, dependendo da escala do forno) controlado manualmente, que mantém a distância perfeita do material podendo apenas ser alterada a intensidade de corrente, e consequentemente a temperatura, e a direção de incidência no metal desejado [13].

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6. Conclusão

Após a realização deste trabalho, podemos concluir que o níquel se encontra associado a minérios. Minérios esses que tem de sofrer um processo de extracção para que se possa obter níquel de elevada pureza.

Os materiais inteligentes são aqueles que são capazes de se modificarem em reacção às mudanças do meio que os envolve. Dentro destes materiais, encontram-se as ligas com memória de forma. Para se formar uma liga de Ti-Ni, vimos que existem vários processos, sendo estes de alguma complexidade.

Ao longo deste trabalho, deparamo-nos com algumas dificuldades, nomeadamente, no tempo de realização, na organização dos dados assim como na informação recolhida. No entanto, houve uma grande cooperação entre os elementos do grupo, o que permitiu ultrapassar esses obstáculos.

Apesar de todo o tempo dispendido e das dificuldades na sua realização, achamos este projecto bastante proveitoso e pedagógico, onde aprendemos vários conceitos que nos podem ser úteis no futuro académico, assim como profissional.

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7. Bibliografia

[1] http://www.seplan.go.gov.br/sepin/down/Conjuntura5.pdf#page=16; acedido em 10/10/2012; [2] http://www.icz.org.br/niquel-caracteristicas-tecnicas.php; acedido em 10/10/2012; [3] http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=496&ordem=2; acedido em 10/10/2012; [4] http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=496&ordem=6; acedido em 10/10/2012; [5] http://www.icz.org.br/niquel-industria.php; acedido em 10/10/2012; [6] http://www.icz.org.br/niquel-sociedade.php; acedido em 10/10/2012; [7] http://www.seplan.go.gov.br/sepin/pub/conj/conj5/03.htm; acedido em 13/10/2012; [8] Agnieszka Troszkiewicz, “World’s 10 Biggest Nickel-Producing Countries in 2010”, http://www.bloomberg.com/news/2011-06-07/world-s-10-biggest-nickel-producing-countries-in-2010-table-.html; acedido em 18/10/2012

[9] Título: NÍQUEL- Novos Parâmetros de Desenvolvimento - ÁREA DE OPERAÇÕES INDUSTRIAIS 2 - AO2;

Diretor: José Mauro Mettrau Carneiro da Cunha;

Elaboração: GERÊNCIA SETORIAL DE MINERAÇÃO E METALURGIA; Editoração: AO2/GESIS; Data: Maio de 2000; http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/c onhecimento/relato/niquel.pdf; acedido em 09/10/2012; [10]http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivo s/conhecimento/relato/niquel.pdf; acedido em 09/10/2012; [11] http://www.ufpa.br/getsolda/docs_graduacao/trab_niquel.pdf1/10/2012; acedido em 09/10/2012

[12] Eduardo Massao, “Produção da liga Ni-Ti com Efeito de Memória de Forma em Forno de Fusão por Feixe Eletrónico e sua Caracterização”, 2007, Instituto Tecnológico de Aeronáutica;

http://www.bd.bibl.ita.br/tesesdigitais/000543402.pdf; acedido em 30/09/2012

[13] Adriano Vitor Ruiz e Elvis Alessandro P. Lameu, “Seminário: Fornos usados na Fundição dos Metais”, 2010, http://pt.scribd.com/doc/57171310/Seminario-Fornos-Usados-na-Fundicao-dos-Metais; acedido em 18/10/2012

[14]http://b2bgroup.com.br/index.php/2011/07/03/tipos-de-fornos-existentes-no-mercado-de-fundicao/; acedido em 18710/2012