Soldagem à temperatura ambiente

Você sabia que já é possível soldar* dois materiais metálicos sem calor? Pesquisadores da Iowa State University, nos EUA, desenvolveram um método bastante interessante, o qual funciona como uma espécie de cola metálica. Para isso, partículas minúsculas de metal são resfriadas abaixo de sua temperatura de fusão e impedidas de solidificar, entrando em um estado de metaestabilidade conhecido como super-resfriamento. No entanto, as partículas procuram atingir seu estado de menor energia, que para as temperaturas e pressões em que se encontram, é o estado sólido, e não líquido. Dessa forma, assim que sofrem uma perturbação externa intensa o suficiente, as gotículas tornam-se sólidas. Os cientistas aproveitaram-se desse fenômeno para fazê-las solidificar na junta entre dois metais, permitindo a união dos mesmos sem a necessidade de aquecimento ou fusão.

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Alumínio tem problemas com corrosão?

Provavelmente você nunca olhou realmente para um pedaço de alumínio. Isso porque o material é extremamente reativo e, em contato com o ar, reage instantaneamente formando uma película de óxido sobre sua superfície. Isto é o que você de fato vê. No entanto, apesar de extremamente reativo, o alumínio apresenta uma elevada resistência à corrosão devido a um fenômeno chamado passivação. Basicamente, o alumínio fica mais nobre (menor atividade) por ação desta película óxida, que tem uma boa aderência à superfície e acaba impedindo que um volume maior do material seja corroído.  No entanto, se engana quem acha que a passivação torna o alumínio imune à corrosão. Veremos hoje diversas situações em que a mesma pode ocorrer.

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Curiosidades sobre as medalhas olímpicas

Há dois meses começavam os jogos olímpicos do Rio de Janeiro, trazendo as atenções do mundo para o país e também fortes emoções ao povo brasileiro. O que muitos não perceberam, no entanto, é que por trás de todas as competições que emocionaram o mundo, participava também silenciosamente uma grande conhecida de todos nós. Seja na roupa dos nadadores, nos remos da canoagem, nas bicicletas dos velozes ciclistas, nas raquetes dos jogadores de tênis, e, é claro, no pescoço dos campeões, estava lá presente a engenharia de materiais.

As tão desejadas medalhas apresentaram nessa edição das olimpíadas algumas inovações interessantes. Sendo as mais pesadas da história das olimpíadas, as medalhas pesavam aproximadamente 500 gramas e tinham grande presença de materiais reciclados. Além de serem sustentadas por tiras poliméricas feitas com 50% de material proveniente da reciclagem de garrafas plásticas, os metais em si também eram em parte provenientes de reciclagem e o ouro foi minerado sem o uso de mercúrio, um grande poluente. Nos jogos paralímpicos, elas também surpreenderam: continham esferas metálicas em seu interior para que os deficientes visuais pudessem não só tocá-las, mas também ouvi-las. A quantidade diferente de esferas, de acordo com o tipo de medalha, fazia com que possuíssem ruídos característicos que as identificasse, sendo este maior quanto melhor a posição do atleta. Conheça-as na reportagem abaixo e confira como o processo pelo qual passam as medalhas até a chegada ao pódio.

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Uma nova forma de encarar a metalurgia

A maior parte dos materiais metálicos é produzida por meio de fundição, na qual há o fornecimento de uma grande quantidade de energia e posterior derretimento do minério que irá dar origem ao metal em questão. Até que elevados graus de pureza sejam atingidos, o material deve passar por mais e mais processos que irão elevando significativamente seu preço final. Além disso, durante o processo há a eliminação para o ambiente de diversos gases que contribuem para o efeito estufa. E se houvesse um processo que dispensasse os gastos energéticos elevados de uma fundição, não produzisse gases de efeito estufa e em uma única etapa transformasse a matéria-prima mineral em metal de elevada pureza?

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Novos materiais termoelétricos de elevada eficiência são descobertos

Os materiais termoelétricos têm a interessante de característica de transformar diferenças de temperatura em energia elétrica, devido a um fluxo de elétrons que acontece das áreas mais quentes para as mais frias. Para isso, o material precisa ser simultaneamente bom condutor de eletricidade e mau condutor de calor, já que precisa possuir um fluxo de elétrons significativo e também manter a diferença de temperatura pelo maior tempo possível. Materiais com essas características não são tão facilmente encontrados, já que normalmente os dois tipos de condutividade andam juntos. Assim, normalmente é preciso recorrer a materiais caros ou até mesmo tóxicos para desempenhar essa função na indústria. Além disso, a eficiência na conversão de energia é, no geral, não muito elevada.

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Como fabricar vidros à temperatura ambiente

 

Para transformar matérias-primas, geralmente óxidos, em vidro é preciso aquecê-las até que se fundam, o que demanda uma grande quantidade de energia. Para reciclar o vidro, é preciso também aquecê-lo até que tenha uma viscosidade suficientemente baixa para ser moldado e produzir a ampla gama de produtos que conhecemos. As temperaturas necessárias para esses dois processos dependem da composição do vidro, mas quase sempre situam-se acima de 1000°C. Considerando essa situação, é difícil pensar em vidro sem pensar em fornos, energia, calor, elevadas temperaturas. No entanto, existe uma maneira alternativa para produzir esse material à temperatura ambiente e nós mostraremos como ela funciona.

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É possível soldar metal com cerâmica?

Você já teve problemas em sua casa ou trabalho e precisou “soldar” alguma peça com estanho? Normalmente o processo é feito para soldar fios a alguma outra superfície metálica, como vemos nas figuras abaixo:

Você sabia que esse processo na verdade não se trata de uma soldagem? Para que a soldagem propriamente dita ocorra, é necessário não somente fundir o metal de adição, que é a liga adicionada na junção entre os dois componentes, mas também a superfície dos próprios componentes, denominados de materiais de base. Se pensarmos no exemplo do estanho, as peças seriam o material de base e o estanho, o material de adição. Claro que consideramos aqui apenas as soldagens nas quais o material encontra-se no estado fundido, porque é possível também soldar no estado sólido, como por exemplo na soldagem por difusão ou por fricção, onde não há fusão de nenhum dos materiais e ainda assim denomina-se o processo de soldagem. Mas voltando ao caso onde há fusão dos metais envolvidos, a “solda” de estanho deve na verdade ser chamada de brasagem, processo em que apenas o metal de adição é fundido e preenche a junta de soldagem por capilaridade, eliminando os espaços vazios entre as duas peças e solidificando em seguida. É sobre esse processo que vamos falar hoje, já que ele é um dos únicos que permite a união de materiais de classes diferentes, como metais e cerâmicas.

A brasagem ocorre a temperaturas iguais ou acima da de fusão do material de adição, mas sempre a temperaturas inferiores à fusão do metal base. Para que a união por brasagem seja possível, é necessário que ocorra o molhamento do material de base pela liga adicionada na junta, isto é, que haja afinidade entre estes dois materiais. Para um bom molhamento, é importante que as faces a serem unidas sejam previamente limpas para a remoção de graxa, óxidos e outras impurezas. Normalmente a brasagem é feita por um oxicombustível, utilizando uma liga de cobre como metal de adição e um fluxo adequado para proteger a região soldada de gases do ambiente e melhorar a capilaridade do material e, consequentemente, o preenchimento da junta. No entanto, é possível utilizar também os processos TIG ou arco plasma, sem a necessidade da utilização de fluxos e sem fundir o metal de base e também utilizar diversos outros metais de adição, como ligas com níquel, prata e ouro. O processo de brasagem é interessante na união de metais dissimilares, ou mesmo materiais de classes diferentes, peças pouco espessas e também metais já tratados termicamente, já que sua fusão por um processo de soldagem convencional implicaria numa modificação microestrutural que comprometeria o tratamento realizado.  O foco de hoje será a união de materiais diferentes: metais e cerâmicas.

Uma das dificuldades em se utilizar cerâmicas na indústria é o fato de elas precisarem muitas vezes ser unidas a outras cerâmicas ou materiais metálicos. A soldagem direta de cerâmicas é quase sempre impossível, salvo em materiais como carbeto de silício ou nitreto de silício, que podem ser soldados por feixe de laser. Assim, para ampliar a utilização de cerâmicos, diversas pesquisas foram realizadas a respeito de métodos de junção desses materiais e bons resultados foram obtidos para a brasagem. Observou-se, por exemplo, que ao tentar unir cerâmicas com uma liga de brasagem contendo pequenas quantidades de zircônio, há molhamento do cerâmico pela liga. Isso é excelente, pois antes era necessário fazer um procedimento de metalização da cerâmica para permitir que ela tivesse alguma afinidade com o metal de adição. Após a descoberta, viu-se que esse pré-processo não seria mais necessário, desde que as ligas de brasagem contivessem um elemento “ativador”, o qual normalmente é titânio, mas também pode ser háfnio, nióbio ou zircônio. A função desse elemento ativador é desenvolver a camada metalizada no momento em que ocorre a brasagem, isto é, o elemento reage com o material cerâmico e vai formando fases intermetálicas complexas, as quais revestem a superfície da cerâmica e têm afinidade com o metal de adição, sendo molhadas pelo mesmo. Com isso, é possível unir cerâmicas a elas mesmas, outras cerâmicas, cermets (compósitos de cerâmica com metal) e uma ampla variadade de materiais metálicos. Exemplos de cerâmicas que podem ser brasadas por ligas ativadas são alumina, nitreto de silício, carbeto de boro, nitreto de boro (hexagonal e cúbico), safira, carbeto de silício, zircônia, nitreto de alumínio, diamante, vidros e grafite. Convém destacar que o efeito de ativação na liga de brasagem ocorre apenas a temperaturas superiores a 750°C, dependendo da composição da cerâmica a ser unida. Normalmente os nitretos e carbetos são molhados mais facilmente pelos metais de adição do que as cerâmicas óxidas.  A figura abaixo mostra a junta brasada entre alumina e uma liga de ferro-níquel-cobalto.

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Micrografia de junta brasada de alumina com liga de ferro-níquel-cobalto utilizando liga de prata-cobre-índio ativada com titânio como metal de adição. Fonte: Listemann AG, Liechtenstein / European Association for Brazing and Soldering.

É possível observar que abaixo do material de base cerâmico (1), há uma camada proveniente da reação entre o elemento ativador e a alumina, identificada pelo número 2. Essa camada é molhada pelo metal de adição (3), que por sua vez encontra-se unido ao segundo material de base (4), a liga de ferro-níquel-cobalto.

Além de poder unir materiais de classes diferentes, como vimos, a brasagem é interessante do ponto de vista industrial por provocar um menor empenamento da peça, já que são utilizadas temperaturas mais baixas, também por não interferir muito na microestrutura do material de base, já que o mesmo não é fundido e por ser mais veloz do que os processos de soldagem convencionais. Além disso, o equipamento é simples e de fácil utilização e os metais frágeis, como ferro fundido cinzento, podem ser unidos sem um alto pré-aquecimento. No entanto, o processo também tem suas desvantagens, que são o fato de a resistência do conjunto ser limitada à resistência do metal de adição, assim como a temperatura de serviço, limitada ao ponto de fusão do metal de adição e também a possibilidade de ocorrência de corrosão galvânica na junta brasada.

 

Fontes:

Is it possible to braze ceramics? – European Association for Brazing and Soldering;

Brasagem: Características do processo – Info Solda;

Brasagem – Condor.

SmB6 – o material que é condutor e isolante ao mesmo tempo

Se um condutor elétrico é o material que permite que as cargas elétricas se desloquem através de si de uma maneira relativamente livre e o isolante elétrico, pelo contrário, impõe uma grande dificuldade em ocorrer movimentação de cargas, como é possível um material ser isolante e condutor elétrico ao mesmo tempo?  Pois foi exatamente isso que alguns cientistas detectaram ao estudar materiais como o hexaboreto de samário (SmB6). A explicação para o fenômeno, no entanto, não está sendo nada fácil.

Há diversas teorias que buscam explicar a condução e isolamento simultâneo. Alguns estudiosos do assunto acreditam que assim como alguns materiais possuem uma fase semicondutora em determinadas condições de temperatura e pressão, na qual o material apresenta resistência nula ao fluxo de elétrons, outros possuem também uma fase não isolante nem condutora. Funciona de maneira análoga à dualidade partícula-onda da física: O elétron tem dualidade partícula-onda, então ora ele se comporta como partícula, ora como onda, no entanto ele não pode ser chamado puramente de nenhum dos dois. Aqui o material também seria isolante e condutor ao mesmo tempo, mas ainda assim nenhum dos dois de fato.

Esse estranho comportamento foi identificado em diversos materiais isolantes topológicos, isto é, materiais híbridos que se comportam como uma espécie de sanduíche, nos quais as propriedades da superfície são diferentes das do interior do material. Assim, é mais fácil aceitar que possuam um comportamento tão contraditório, já que suas propriedades de fato variam de acordo com a região analisada. O problema surgiu quando foi identificado o mesmo comportamento no hexaboreto de samário (SmB6), o qual apresenta esse comportamento em toda a sua massa quando encontra-se a temperaturas muito baixas, ou seja, não é um isolante topológico. Uma das explicações científicas no momento é que o SmB6 poderia estar alternando entre isolante e condutor por ter um gap muito pequeno entre os dois comportamentos, de forma que os elétrons possam facilmente saltar por essa lacuna. “Como este material está próximo à região de cruzamento entre isolante e condutor, descobrimos que ele exibe algumas propriedades realmente estranhas – nós estamos explorando a possibilidade de que esta seja uma nova fase quântica,” afirma Sebastian, da Universidade de Cambridge.

SmB6

Hexaboreto de samário – Créditos Andrew Testa  (Quanta Magazine).

Há também quem diga que esse fenômeno é observado porque o material é um buraco negro hiperdimensional. No entanto, Zaanen, um dos estudiosos do fenômeno, acredita que “não há nenhuma hipótese confiável neste momento”. Assim como a supercondutividade levou cerca de meio século para ser explicada, essa grande descoberta também vem desafiando a ciência e pode demorar algum tempo até ser perfeitamente compreendida.

Se você ainda está se perguntando como os cientistas conseguiram observar esse efeito condutor-isolante no material, já que não parece ser possível passar e não passar corrente ao mesmo tempo, eis a explicação: a transmissão de corrente é baixa, como um isolante, o que normalmente é atribuído a um aprisionamento dos elétrons. No entanto, nota-se uma grande movimentação de elétrons pelo material quando é aplicado um campo magnético, como em um condutor. Ou seja, há uma mobilidade de elétrons mas não há um fluxo de eletricidade, o que contradiz completamente a física que conhecemos, por isso a compreensão é tão difícil. No entanto, a história mostra que às vezes é importante esperar. A supercondutividade, antes incompreendida e pouco viável devido às baixas temperaturas necessárias para alcançá-la, é hoje responsável pelos ímãs mais poderosos do mundo, inclusive os do acelerador de partículas na Suíça. Sendo assim, vamos esperar para ver quais surpresas e benefícios o estudo dos materiais simultaneamente condutores e isolantes poderá nos trazer!

Fontes:

Paradoxical Crystal Baffles Physicists – Quanta Magazine;

Descoberto material que é simultaneamente condutor e isolante – Inovação Tecnológica.

Ímãs sem terras raras: O material extraterrestre

Já pensou reduzir o tempo de produção de centenas de milhões de anos para apenas 300 horas? Foi isso que os cientistas japoneses fizeram com o ímã de ferro níquel que não possui terras raras. Esse material é proveniente do espaço e chegou na terra através de meteoritos, que possuíam pequenas quantidades dele. Obviamente sua extração é muito difícil, já que ainda não temos mineração espacial em larga escala, assim foi estudado como produzir esse material.

Os ímãs mais comuns são aqueles com terras raras. Metais de terras raras são os elementos que na tabela periódica fazem parte do grupo dos lantanídeos. E são os elementos destacados na tabela abaixo.

tabela-periodica-lantanideos

Ímãs em geral podem ser divididos em:

Materiais magnéticos duros: Materiais que apresentam força magnética permanente.

Materiais magnéticos moles: São aqueles que apresentam força magnética apenas quando é aplicada um campo magnético.

Nesse caso, o ímã Fe-Ni é um material magnético duro e possui uma energia magnética máxima muito próxima da do melhor ímã duro já produzido. Muito bom, não?

Naturalmente, esse material é formado por um resfriamento muito lento, com a taxa de 1 Kelvin por milhões de anos e resulta na separação de duas fases, alfa (camacite) e gama (tenites) na interface de FeNi. É praticamente impossível obter as mesmas propriedades quando ele é produzido da forma artificial, isso porque a temperatura de transformação de ordem-desordem é muito baixa (320ºC). Os coeficientes de difusão do ferro e do níquel são muito baixos nessa temperatura e praticamente não ocorre nenhuma difusão, por isso que demora milhões de anos.

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Tenite

Desde 1960, quando foi descoberto esse material nos meteoros, muitas técnicas de produção foram estudadas e nenhuma obteve sucesso até então. O que foi descoberto é que se uma liga de FeNi puder ser feita no seu estado amorfo e sua temperatura de cristalização for próxima a da de transição ordem-desordem, o material pode ser feito artificialmente. Porém, geralmente a temperatura de cristalização dessas ligas é muito maior, por volta de 450ºC.

No trabalho realizado foi desenvolvida uma liga nanocristalina de FeSiBPCu. O estado inicial dessa liga é amorfo, mas cristaliza em nanocristais de α-Fe, abaixo de 400°C. Assim foram feitos os materiais magnéticos duros sem terras raras.

Essa pesquisa é muito importante, porque as pesquisas com materiais magnéticos duros estagnou há 30 anos atrás, quando foram descobertos os ímãs com terras raras.

E por que é melhor ter todo esse trabalho do que usar um ímã de terras raras?

O problema é que esses metais são caros, daqui alguns anos pode ocorrer a exaustão de recursos e grande parte da produção hoje está concentrada na China, o que dificulta a comercialização por causa do monopólio.

 

Referências:

Inovação tecnológica – Ímã extraterrestre sem terras raras

Makino, A. et al. Artificially produced rare-earth free cosmic magnet. Sci. Rep. 5, 16627; doi: 10.1038/srep16627 (2015).