O que torna o aço inoxidável e a liga de titânio ideais para jóias? Informações sobre a produção e tendências do mercado

Este artigo descreve o processo de produção de jóias em aço inoxidável e titânio, incluindo a moldagem mecânica e a fundição por cera perdida. Explora as caraterísticas, tendências de mercado e tipos comuns destes materiais, oferecendo informações práticas para joalharias, estúdios, marcas, retalhistas, designers e vendedores online.

O que torna o aço inoxidável e a liga de titânio ideais para jóias? Informações sobre a produção e tendências do mercado

Fabricação de jóias em aço inoxidável e titânio: Técnicas para Designers Modernos

O aço inoxidável foi inicialmente utilizado em relógios e canetas de luxo da Rolex e de outras marcas de moda bem conhecidas. Este material é resistente, tem uma excelente resistência à corrosão e mantém a sua cor à temperatura ambiente, ao contrário das jóias de prata, que se mancham facilmente, ou das jóias de liga, que podem ser tóxicas devido ao teor de chumbo. Como resultado, é cada vez mais aplicado na indústria da joalharia, tornando-se um material comum para acessórios de moda modernos. As jóias em aço inoxidável apresentam um estilo robusto, minimalista, estável e discreto com um aspeto metálico fresco, ganhando o reconhecimento e o carinho de muitos entusiastas da moda.

O titânio é altamente resistente à corrosão e estável, e o seu tom cinzento-prateado único tem um bom desempenho em acabamentos de alto polimento, acabamento de seda e mate. É um dos metais decorativos mais adequados para além dos metais preciosos e é frequentemente utilizado no design de jóias modernas no estrangeiro. O titânio tem qualidades futuristas, apresentando elegância e permanecendo intemporal. É leve mas excecionalmente forte, o que o torna um material popular para jóias a nível internacional, especialmente preferido por jovens profissionais.

Secção I Produtos e processos de produção de aço inoxidável

1. Introdução ao aço inoxidável

1.1 Definição de aço inoxidável

O aço inoxidável é um termo geral para o aço com uma certa estabilidade química em soluções como a atmosfera, a água, os ácidos, os álcalis, os sais ou outros meios corrosivos. De um modo geral, o aço resistente à corrosão em meios fracos como a atmosfera, o vapor e a água é designado por aço inoxidável. O aço resistente à corrosão de meios corrosivos ácidos, alcalinos e salinos é designado por aço resistente à corrosão ou aço resistente aos ácidos. O aço inoxidável tem resistência à ferrugem, mas não é necessariamente resistente à corrosão, enquanto o aço resistente à corrosão tem geralmente melhor resistência à ferrugem.

Acredita-se geralmente que a resistência à corrosão do aço inoxidável resulta da formação de uma "película de passivação" na sua superfície sob a ação de meios corrosivos. A capacidade de resistir à corrosão depende da estabilidade da "película de passivação". Esta está relacionada não só com a composição química do aço inoxidável, mas também com o tipo, concentração, temperatura, pressão, caudal do meio corrosivo e outros factores.

O aço inoxidável tem uma boa resistência à corrosão devido à adição de crómio à liga ferro-carbono. Embora outros elementos, como o cobre, o alumínio, o silício, o níquel e o tântalo, também possam melhorar a resistência à corrosão do aço, a sua eficácia é limitada na ausência de crómio. Por conseguinte, o crómio é o elemento mais importante do aço inoxidável. O teor mínimo de crómio necessário para um aço inoxidável com boa resistência à corrosão depende do meio corrosivo. O American Iron and Steel Institute (AISI) define a fronteira entre o aço não inoxidável e outros aços com crómio 4%. A norma industrial japonesa JIS G 0203 estipula que o aço inoxidável é uma liga que contém crómio ou crómio-níquel para melhorar a resistência à corrosão, geralmente com um teor de crómio superior a 11%. A norma alemã DIN e a norma europeia EN10020 especificam que o teor de crómio do aço inoxidável não é inferior a 10,5%. O teor de carbono não é superior a 1,2%. No nosso país, o teor de crómio do aço inoxidável é geralmente definido como não inferior a 12%.

1.2 Elementos de liga comuns do aço inoxidável

Vários elementos determinam principalmente o desempenho e a estrutura do aço inoxidável. Atualmente, existem mais de 100 elementos químicos conhecidos, entre os quais os que têm maior impacto no desempenho e na estrutura do aço inoxidável são o carbono, crómio, níquel, manganês, azoto, titânio, nióbio, molibdénio, cobre, alumínio, silício, zircónio, ítrio, boro e mais de uma dúzia de outros. A adição destes elementos leva a alterações na estrutura interna do aço, conferindo-lhe propriedades especiais. Para aprofundar o nosso conhecimento sobre o aço inoxidável, é necessário compreender primeiro o impacto dos vários elementos no desempenho e na estrutura do aço inoxidável.

(1) Crómio

O crómio é o elemento mais fundamental que determina a resistência à corrosão do aço inoxidável. Em meios oxidantes, o crómio pode formar rapidamente uma camada na superfície do aço que é impermeável e insolúvel ao meio corrosivo, que é uma película de óxido rica em crómio. Esta película de óxido é muito densa e está firmemente ligada ao metal, protegendo o aço de mais oxidação e corrosão por meios externos; o crómio pode também aumentar eficazmente o potencial do elétrodo do aço. Quando o teor de crómio não é inferior a 12,5% átomos, pode causar uma mudança súbita no potencial do elétrodo do aço, passando de um potencial negativo para um potencial positivo do elétrodo. Por conseguinte, pode melhorar significativamente a resistência à corrosão do aço. Quanto mais elevado for o teor de crómio, melhor será a resistência à corrosão do aço. Quando o teor de crómio atinge 25%, 37,5% átomos, ocorrem segundas e terceiras alterações súbitas, conferindo ao aço uma resistência à corrosão ainda maior.

(2) Níquel

O efeito do níquel na resistência à corrosão do aço inoxidável só pode ser plenamente demonstrado quando combinado com o crómio. Isto deve-se ao facto de o aço com baixo teor de carbono e níquel necessitar de um teor de níquel de 24% para atingir uma estrutura austenítica pura (a austenite é uma solução sólida não magnética que contém uma pequena quantidade de carbono em γ-Fe, com uma estrutura cristalina cúbica de face centrada); para alterar significativamente a resistência à corrosão do aço em determinados meios, o teor de níquel deve ser superior a 27%. Por conseguinte, o níquel, por si só, não pode constituir um aço inoxidável. No entanto, ao adicionar 9% de níquel a 18% de aço com crómio, o aço pode atingir uma estrutura austenítica simples à temperatura ambiente, o que pode aumentar a resistência à corrosão do aço a meios não oxidantes (como ácido sulfúrico diluído, ácido clorídrico, ácido fosfórico, etc.) e melhorar o desempenho do processo do aço na soldadura e quinagem a frio.

(3) Manganês e azoto - podem substituir o níquel no aço inoxidável crómio-níquel

O manganês e o azoto desempenham um papel no aço inoxidável, semelhante ao do níquel. O efeito estabilizador do manganês na austenite é comparável ao de 1/2 níquel, enquanto o efeito do azoto é muito maior, cerca de 40 vezes superior ao do níquel. Por conseguinte, o manganês e o azoto podem substituir o níquel para obter uma estrutura austenítica única. No entanto, a adição de manganês reduzirá a resistência à corrosão do aço inoxidável com baixo teor de crómio. Além disso, o aço austenítico com elevado teor de manganês não é fácil de processar. Por conseguinte, o manganês não é utilizado sozinho no aço inoxidável; é apenas utilizado parcialmente para substituir o níquel.

(4) Carbono

O teor e a distribuição do carbono no aço inoxidável influenciam largamente o seu desempenho e estrutura. Por um lado, o carbono é um elemento estabilizador da austenite, com um efeito cerca de 30 vezes superior ao do níquel. O aço inoxidável martensítico com elevado teor de carbono (a martensite é uma solução sólida supersaturada de carbono que se dissolve em α-Fe, que é uma fase metaestável transformada a partir da austenite através de uma mudança de fase sem difusão) pode aceitar totalmente o reforço por têmpera, melhorando significativamente a sua resistência em termos de propriedades mecânicas; por outro lado, devido à forte afinidade entre o carbono e o crómio, o crómio, que ocupa 17 vezes a quantidade de carbono no aço inoxidável, combina-se com ele para formar carboneto de crómio. À medida que o teor de carbono no aço aumenta, mais crómio forma carbonetos com o carbono, reduzindo significativamente a resistência à corrosão do aço. Por conseguinte, do ponto de vista da força e da resistência à corrosão, o papel do carbono no aço inoxidável é contraditório. Em aplicações práticas, para obter resistência à corrosão, o teor de carbono no aço inoxidável é geralmente baixo, na sua maioria cerca de 0,1%. Para aumentar ainda mais a resistência à corrosão do aço, especialmente a sua resistência à corrosão intergranular, é frequentemente utilizado o aço inoxidável de carbono ultra-baixo, com um teor de carbono de 0,03% ou mesmo inferior; no entanto, para o fabrico de rolamentos, molas, ferramentas e outros aços inoxidáveis, é necessário um teor de carbono mais elevado devido à necessidade de elevada dureza e resistência ao desgaste, geralmente entre 0,85%~1,00%, como o aço 9Cr18, etc.

(5) Titânio e nióbio

Quando o aço inoxidável é aquecido a 450 ~ 800 ℃, o teor de cromo perto dos limites do grão geralmente diminui devido à precipitação de carbonetos de cromo nos limites do grão, formando uma zona empobrecida de cromo, o que leva a uma diminuição no potencial do eletrodo perto dos limites do grão, causando assim corrosão eletroquímica, conhecida como corrosão intergranular. Uma ocorrência comum é a corrosão intergranular na zona afetada pelo calor perto das soldaduras. O sódio e o nióbio são elementos fortemente formadores de carbonetos, e a sua afinidade com o carbono é muito maior do que a do crómio. Ao adicionar titânio ou nióbio ao aço, o carbono no aço pode primeiro formar carbonetos com titânio ou nióbio em vez de crómio, assegurando assim que a corrosão intergranular não ocorre devido à depleção de crómio perto dos limites do grão. Por conseguinte, o sódio e o nióbio são frequentemente utilizados para fixar o carbono no aço, aumentar a resistência do aço inoxidável à corrosão intergranular e melhorar o desempenho de soldadura do aço.

A quantidade de titânio ou nióbio a ser adicionada deve ser determinada com base no teor de carbono. Geralmente, o titânio é adicionado cinco vezes o teor de carbono, e o nióbio é oito vezes o teor de carbono.

(6) Molibdénio e cobre

O molibdénio e o cobre podem aumentar a resistência à corrosão do aço inoxidável contra meios corrosivos, como os ácidos sulfúrico e acético. O molibdénio pode também melhorar significativamente a resistência a meios que contenham iões cloreto (como o ácido clorídrico) e ácidos orgânicos. No entanto, o aço inoxidável contendo molibdénio não é adequado para utilização em ácido nítrico, uma vez que a taxa de corrosão do aço inoxidável contendo molibdénio em ácido nítrico 65% em ebulição é o dobro da taxa de corrosão do aço inoxidável sem molibdénio; a adição de cobre ao aço inoxidável cromo-manganês-nitrogénio pode acelerar a corrosão intergranular do aço inoxidável.

O molibdénio impede a obtenção de uma estrutura austenítica única no aço; por conseguinte, no aço que contém molibdénio, o teor de elementos como o níquel e o manganês deve ser correspondentemente aumentado para garantir que o aço tenha uma estrutura austenítica única após o tratamento térmico.

(7) Silício e alumínio

O papel do silício na melhoria da resistência à oxidação do aço ao crómio é significativo. O aço contendo 5% de crómio e 1% de silício pode ter uma resistência à oxidação comparável à do aço ao crómio 12%. Se o aço em 1000 ℃ pode resistir ao produto químico, contendo 0.5% silício precisa 22% do cromo, como a adição de 2.5% para 3% do silício mais tarde, apenas 12% do cromo pode ser. A informação indica que a adição de 2,5% de silício ao aço crómio-níquel Cr15Ni20 pode atingir uma resistência à oxidação comparável à da liga crómio-níquel Cr15Ni60.

A adição de alumínio ao aço com elevado teor de crómio pode também melhorar significativamente a sua resistência à oxidação, e a sua função é semelhante à da adição de silício.

A adição de silício e alumínio ao aço com elevado teor de crómio destina-se a melhorar ainda mais a resistência à oxidação do aço e a poupar crómio.

Embora o silício e o alumínio melhorem significativamente a resistência à oxidação do aço cromado, também têm muitos inconvenientes. O principal problema é que provocam o engrossamento do grão do aço e aumentam a sua tendência para se tornar frágil.

(8) Tungsténio e vanádio

O papel principal do tungsténio e do vanádio no aço é melhorar a sua resistência térmica.

(9) Boro

0,005% O boro (ferrite, que é uma solução sólida de carbono em α-Fe, com uma estrutura cúbica centrada no corpo) adicionado ao aço inoxidável ferrítico com elevado teor de crómio (Cr17Mo2Ti) pode melhorar a resistência à corrosão do aço em ácido acético 65% em ebulição; a adição de quantidades vestigiais (0,006‰~0.007‰) de boro ao aço inoxidável austenítico pode melhorar a plasticidade a quente do aço; o boro tem um bom efeito na melhoria da resistência térmica do aço, aumentando significativamente a resistência térmica do aço inoxidável; o aço inoxidável austenítico cromo-níquel contendo boro tem aplicações especiais na indústria da energia atómica. No entanto, a presença de boro no aço inoxidável pode reduzir a plasticidade e a resistência ao impacto do aço.

Para além dos elementos acima referidos, alguns aços inoxidáveis contêm metais raros e elementos de terras raras para melhorar o seu desempenho. Nos aços inoxidáveis utilizados em aplicações industriais, muitos aços contêm vários a dezenas de elementos de liga ao mesmo tempo. Quando vários elementos coexistem neste corpo unificado de aço inoxidável, a estrutura do aço inoxidável é determinada pela soma das influências dos vários elementos.

A influência de vários elementos na microestrutura do aço inoxidável pode ser amplamente categorizada em dois tipos principais com base na sua semelhança: um tipo consiste em elementos que formam ou estabilizam a austenite, que incluem o carbono, o níquel, o manganês, o azoto e o cobre, sendo o carbono e o azoto os que têm maior efeito; o outro tipo consiste em elementos que formam a ferrite, que incluem o crómio, o tungsténio, o tântalo, o nióbio, o silício, o titânio, o vanádio e o alumínio. Quando comparado com o crómio como referência, o efeito deste tipo de elemento na formação de ferrite é maior para todos os outros elementos do que para o crómio.

Quando estes dois tipos de elementos coexistem no aço inoxidável, a estrutura do aço inoxidável depende dos resultados da sua influência mútua. Se o papel dos elementos que estabilizam a austenite for predominante, a estrutura do aço inoxidável será principalmente austenítica, com pouca ou nenhuma ferrite; se a sua influência não for suficiente para manter a austenite no aço à temperatura ambiente, esta austenite instável sofrerá uma transformação martensítica após o arrefecimento, resultando numa estrutura martensítica; se o papel dos elementos que formam a ferrite se tornar predominante, a estrutura do aço será principalmente ferrítica.

Para além dos factores de processo, o desempenho do aço inoxidável depende principalmente da composição da sua estrutura interna, que é determinada pela soma de vários elementos de liga no aço. Por conseguinte, os elementos de liga determinam, em última análise, o desempenho do aço inoxidável.

1.3 Classificação do aço inoxidável

O aço inoxidável é uma série de aço especial com uma vasta gama. No nosso país, são produzidos mais de 100 tipos de aço inoxidável. Com base nos seus principais componentes de liga, estrutura metalográfica e aplicações industriais primárias, o aço inoxidável pode ser classificado da seguinte forma.

(1) Classificação com base na composição das ligas de aço inoxidável

De acordo com os principais componentes de liga do aço inoxidável, este pode ser dividido nas três categorias seguintes.

① Aço inoxidável cromado. Para além da base de ferro, este tipo de aço inoxidável contém principalmente crómio como elemento de liga. Alguns contêm também um ou mais dos elementos silício, alumínio, tungsténio, molibdénio, níquel, titânio, vanádio e outros, sendo o teor destes elementos no aço de 1%~3%.

② Aço inoxidável cromo-níquel. Para além da base de ferro, este tipo de aço inoxidável contém principalmente crómio e níquel como elementos de liga. Alguns contêm também um ou mais elementos, tais como titânio, silício, molibdénio, alumínio, vanádio e boro, estando estes elementos presentes em quantidades inferiores a 4% a níveis vestigiais.

③ Aço inoxidável cromo-manganês-nitrogénio. Este tipo de aço inoxidável, para além da sua base de ferro, contém principalmente crómio e manganês como elementos de liga. A maioria dos aços contém também azoto abaixo de 0,5%, contendo alguns também um ou vários elementos como o níquel, o silício e o cobre. O teor destes elementos no aço é, respetivamente, apenas inferior a 5%.

(2) Classificação com base na estrutura do aço inoxidável

O aço inoxidável é normalmente dividido em três categorias com base na sua estrutura (organização metalográfica).

① Tipo ferrítico. Ou seja, o aço inoxidável que contém crómio mas não níquel. Este tipo de aço pode ser endurecido até um certo ponto por trabalho a frio, mas não por tratamento térmico. Este tipo de aço é sempre magnético.

② Tipo martensítico. Este tipo de aço inoxidável, com exceção de algumas qualidades que contêm uma pequena quantidade de níquel, contém principalmente apenas crómio. A sua vantagem é que o tratamento térmico pode endurecê-lo. Este tipo de aço é sempre magnético.

③ Tipo austenítico. Ou seja, o aço inoxidável que contém elementos como o crómio, o níquel ou o crómio, o níquel, o manganês ou o crómio, o manganês, o azoto, etc. Este tipo de aço só pode ser endurecido por trabalho a frio; o tratamento térmico só o pode amolecer. No estado recozido, não é magnético. Após o trabalho a frio, alguns podem tornar-se magnéticos.

As três classificações anteriores baseiam-se apenas na estrutura da matriz do aço. Devido à incapacidade dos elementos que estabilizam a austenite e formam a ferrite no aço se equilibrarem mutuamente, as microestruturas actuais do aço inoxidável utilizadas na indústria também incluem martensite-ferrite, austenite-ferrite, austenite-martensite e outros aços inoxidáveis duplex de transição, bem como aço inoxidável com estrutura de martensite-carboneto.

2. Acessórios em aço inoxidável

2.1 Requisitos para os materiais das jóias de aço inoxidável

(1) Propriedades mecânicas

A tecnologia de processamento de plástico tem sido amplamente utilizada na produção de jóias em aço inoxidável. Para além de utilizar maquinaria de trefilagem e laminagem para produzir chapas, fios, tubos e outros perfis, também é frequentemente utilizada para o processamento de formação de jóias, como a utilização de máquinas-ferramentas para acabamento, utilizando uma máquina de estampagem e uma prensa hidráulica para operações hidráulicas. Para garantir a qualidade dos produtos de transformação de plástico, para além da formulação correta e do cumprimento rigoroso das especificações do processo operacional, existem requisitos claros para as propriedades mecânicas dos materiais. As propriedades mecânicas dos materiais reflectem-se principalmente em indicadores como a resistência à tração, o limite de elasticidade, a dureza, o alongamento e a tenacidade. Os materiais em aço inoxidável são necessários para um bom desempenho no processamento de plásticos, especialmente durante operações como estiramento, laminagem, estampagem e prensagem hidráulica. A dureza dos materiais não deve ser demasiado elevada e a taxa de endurecimento por trabalho dos materiais deve ser mais lenta para facilitar a operação; os materiais devem ter boa ductilidade; caso contrário, é provável que ocorram fissuras.

(2) Desempenho de polimento

A joalharia tem requisitos claros para a qualidade da superfície, e a maioria das jóias tem de ser polida para obter um brilho espelhado. Isto requer não só a execução correta do processo de polimento, mas também que as propriedades inerentes ao material tenham um impacto significativo. Por exemplo, a peça de trabalho deve ter uma estrutura densa com grãos finos e uniformes, sem defeitos como poros e inclusões. Se os grãos da peça de trabalho forem grosseiros ou se existirem defeitos de retração ou de poros, é fácil desenvolver casca de laranja, depressões de polimento e fenómenos de cauda de cometa. Do mesmo modo, se existirem inclusões duras, podem ocorrer facilmente riscos e defeitos de cauda de cometa.

Os factores que afectam o desempenho do polimento de jóias de aço inoxidável incluem principalmente os seguintes pontos:

Defeitos superficiais das matérias-primas, tais como riscos, picaduras e decapagem excessiva.
Problemas de qualidade da matéria-prima. Se a dureza for demasiado baixa, é difícil obter um polimento brilhante e a superfície é propensa a ficar com uma casca de laranja durante o estiramento profundo, o que afecta a capacidade de polimento. Uma dureza mais elevada resulta geralmente numa melhor capacidade de polimento.
Os produtos sujeitos a um estiramento profundo podem apresentar pequenos pontos negros nas zonas com deformação significativa, o que pode afetar a qualidade do polimento.

(3) Resistência à corrosão

A resistência à corrosão é muito importante para a joalharia. A resistência à corrosão dos materiais varia com a composição; o 316 tem melhor resistência à corrosão do que o 304, mas a composição não é o único fator que afecta o embaciamento. O embaciamento e a descoloração resultam de uma combinação de composição química, factores ambientais, microestrutura e estado da superfície.

Os testes de corrosão acelerada, que normalmente incluem testes de névoa salina e testes de imersão, são geralmente necessários para determinar a resistência à corrosão das jóias.

(4) Desempenho da fundição

O desempenho de fundição das ligas tem um impacto significativo na qualidade da superfície das jóias fundidas. A qualidade do desempenho da fundição de ligas pode ser avaliada a partir de vários aspectos, incluindo a fluidez do metal fundido, a tendência para a contração e a porosidade e a tendência para a fissuração térmica durante a deformação. O aço inoxidável utilizado para fundição deve ter um intervalo de cristalização mais pequeno e uma baixa tendência para a oxidação devido à absorção de gás, boa fluidez e desempenho de enchimento. Não deve formar facilmente porosidade dispersa ou produzir fissuras de deformação, o que conduz à obtenção de jóias fundidas com forma completa, perfil claro, cristalização densa e estrutura sólida.

(5) Desempenho da reutilização

Para o processo de fundição de jóias, a taxa de rendimento é geralmente apenas de cerca de 50% ou mesmo inferior, e cada fundição gera uma grande quantidade de sistema de gating, materiais de sucata, etc. As empresas de joalharia, com base nos custos de produção e na eficiência, esperam sempre utilizar a maior quantidade possível de material reciclado. Devido aos inevitáveis problemas de volatilização, oxidação e absorção de gases durante o processo de fusão da liga, a composição da liga altera-se em certa medida em cada fundição, afectando a sua qualidade metalúrgica e o desempenho da fundição.

A degradação do desempenho das ligas durante o processo de reciclagem não está apenas relacionada com o processo de funcionamento, mas também intimamente relacionada com o desempenho de reciclagem da própria liga. Depende principalmente da tendência da liga para a oxidação por absorção de gás e da sua reatividade com cadinhos e materiais de fundição. Quanto menor for a tendência para a oxidação por absorção de gás e quanto menor for a reatividade com cadinhos e materiais de fundição, melhor será o desempenho da reciclagem.

(6) Segurança

A segurança dos materiais das jóias é um fator importante que deve ser considerado, uma vez que as jóias estão em contacto direto com o corpo humano durante longos períodos. Os materiais devem evitar a utilização de elementos nocivos como o cádmio, o chumbo e elementos radioactivos. Além disso, deve ser dada atenção para evitar reacções alérgicas causadas pelo contacto com a pele e problemas relacionados com bactérias.

O níquel é um elemento tipicamente sensibilizante que apresenta potenciais reacções alérgicas e danos para a pele humana. As jóias que contêm níquel libertam iões de níquel sensibilizantes durante o uso, causando dermatite de contacto alérgica. Dependendo da gravidade da reação, podem surgir diferentes sintomas. Os doentes com sintomas mais ligeiros podem apresentar reacções apenas nos pontos de contacto entre a joia e a pele, como as orelhas, o pescoço, os pulsos e os dedos, com prurido cutâneo, eritema, erupções cutâneas, bolhas, erosão, exsudação, crostas e descamação, com limites claros das lesões cutâneas que muitas vezes se assemelham à forma da joia. Em contrapartida, os doentes com sintomas mais graves podem apresentar reacções alérgicas sistémicas, começando com vermelhidão e inchaço da pele, seguidos de pequenas pápulas e bolhas. Existe também um risco de carcinogénese e de efeitos teratogénicos. Em resposta à frequência e aos efeitos nocivos das alergias ao níquel, a União Europeia criou o programa Nickel. Diretiva 94/27/CE na década de 1990 e a norma de ensaio de libertação de níquel EN1811:1998. Posteriormente, devido aos níveis ainda elevados de sensibilização ao níquel, as normas foram reforçadas e revistas, levando à emissão da Diretiva 2004/96/CE relativa ao níquel e à norma de ensaio de libertação de níquel EN1811:1998+A1:2008. Em 2011, foi introduzida uma norma de ensaio de libertação de níquel ainda mais rigorosa, a EN1811:2011, que eliminou o valor de ajuste para as taxas de libertação de níquel. Dado que o aço inoxidável cromo-níquel tradicional utiliza uma grande quantidade de níquel como elemento de liga, é essencial avaliar se um material cumpre os requisitos da norma de libertação de níquel antes de o selecionar para utilização como joia.

A investigação mostra que as jóias são propensas a albergar bactérias, especialmente durante o verão, quando a transpiração é mais comum. A pele coberta por jóias não respira facilmente, permitindo que as bactérias proliferem, podendo levar a doenças de pele e infecções. Isto é particularmente grave no caso dos piercings, onde o risco de infeção bacteriana é muito maior do que nas jóias de superfície, uma vez que o piercing é uma ferida cirúrgica. O piercing cria um túnel no interior do tecido sem cobertura epitelial, suportado pela joia posteriormente implantada. O tecido circundante não pode entrar em contacto para cicatrizar e todo o processo de cicatrização envolve a aderência gradual do tecido epitelial em ambas as superfícies ao longo da superfície interna do túnel para formar uma fístula, resultando finalmente num canal epitelial. Durante o processo de cicatrização, se forem encontradas bactérias externas, pode facilmente provocar uma infeção. Por exemplo, quando se fura o lóbulo da orelha, a pele nessa zona é fina, com pouco tecido subcutâneo, e os vasos sanguíneos são finos e superficiais, o que leva a um fluxo sanguíneo lento. Após o piercing, o tecido dérmico fica um pouco danificado. Devido à fricção e ao contacto constantes entre o tecido local danificado e a joia, este é facilmente contaminado por poeiras, bolores, bactérias, etc., provocando uma infeção, que pode causar comichão à volta do orifício do lóbulo da orelha e, em casos graves, vermelhidão, inchaço, pápulas, bolhas, supuração e erosão, podendo mesmo provocar endocardite infecciosa. Dadas as graves consequências do facto de as jóias transportarem bactérias, a Organização Mundial de Saúde recomenda que os profissionais de saúde não usem anéis ou outros acessórios enquanto prestam cuidados hospitalares. Quanto à joia em si, se o seu material tiver boas propriedades antibacterianas, tem, sem dúvida, uma importância significativa na redução ou eliminação de bactérias nas jóias. Uma vez que o aço inoxidável é amplamente utilizado como material de joalharia, especialmente durante o processo de cicatrização de piercings, as hastes de aço inoxidável são maioritariamente utilizadas para expandir o orifício do piercing e evitar que as paredes do piercing se colem. O aço inoxidável tradicional não tem propriedades antibacterianas, pelo que o tratamento de modificação antibacteriana é de grande importância para a segurança da utilização de jóias.

(7) Economia

O preço dos materiais para jóias em aço inoxidável é um fator que afecta os custos de produção. O princípio da seleção de materiais deve ser o de escolher os que têm uma grande oferta e um preço baixo e minimizar ou evitar a utilização de metais preciosos caros para reduzir os custos dos materiais.

2.2 O principal material de aço inoxidável para jóias

(1) Aço inoxidável austenítico cromo-níquel tradicional

Tradicionalmente, a joalharia utiliza principalmente aço inoxidável austenítico de crómio-níquel, incluindo vários tipos típicos, como 303, 304, 304L, 316 e 316L, com gamas de composição química apresentadas na Tabela 5-1.

Tabela 5-1 Gamas de composição química de vários aços inoxidáveis austeníticos decorativos

Aços	Carbono (C)	Silício(Si)	Manganês （Mn）	Fósforo (P)	Enxofre (S)	Níquel (Ni)	Crómio (Cr)	Molibdénio（Mo）
303	≤0. 15	≤1. 00	≤2.00	≤0. 20	≥0. 15	8.00~10.00	17.00 ~19.00	≤0. 6
304	≤0.08	≤1. 00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	8.00~10.50	18.00 ~20.00	-
304L	≤0.03	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	9.00 ~13.50	18.00~20.00	-
316	≤0.08	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	10.00 ~14.50	10.00 ~18.00	2.00 ~3.00
316L	≤0.03	≤1.00	≤2.00	≤0.045	≤0.030	12.00~15.00	16.00 ~18.00	2.00 ~3.00
(Zhu Zhongping, 2004; Gu Jiqing, 2008)

① Aço inoxidável austenítico 303. O aço inoxidável austenítico do tipo 303 tem um desempenho de corte muito bom e o acabamento da superfície da peça maquinada é elevado, o que é benéfico para o desempenho decorativo das jóias. Por isso, este material é por vezes escolhido como material para jóias. No entanto, o aço inoxidável 303 contém uma grande quantidade de sulfetos, que podem se tornar fontes de corrosão em ambientes corrosivos, levando à corrosão preferencial e à formação de poços, acelerando a dissolução anódica do metal circundante e aumentando a taxa de liberação de níquel. No entanto, os valores medidos excedem largamente este limiar. De acordo com a norma EN1811:2011, o aço inoxidável 303 não está em conformidade com a libertação de níquel, quer seja utilizado para jóias em contacto direto com a pele durante longos períodos ou para jóias perfurantes, representando um risco de sensibilização ao níquel. É aconselhável evitar a escolha deste material para o fabrico de jóias que estejam em contacto direto com a pele durante longos períodos, especialmente jóias para piercing. O aço inoxidável 303 é geralmente usado em um estado de solução sólida, com a especificação de tratamento de solução sólida sendo 1010 ℃ ~ 1150 ℃ mantendo o tempo correspondente e depois extinguindo. As propriedades mecânicas do tipo 303 e outros tipos de aço inoxidável são mostradas na Tabela 5-2.

Tabela 5-2 Propriedades mecânicas do aço inoxidável decorativo no estado de solução sólida

Aços	Resistência à tração σ_b /MPa	Resistência ao escoamento σ_0.2/MPa	Taxa de alongamento δ/%	Taxa de contração transversal ψ/%	Dureza/HB
303	≥520	≥205	≥40	≥50	≤187
304	≥520	≥205	≥40	≥60	≤187
304L	≥480	≥175	≥40	≥60	≤187
316	≥520	≥205	≥40	≥55	≤187
316L	≥480	≥175	≥40	≥60	≤187
(Zhu Zhongping, 2004; Gu Jiqing, 2008)

② Aço inoxidável austenítico 304 e 304L. O 304 é um aço inoxidável versátil, normalmente marcado no mercado de três formas: 06Cr19Ni10 indica geralmente a produção de acordo com as normas nacionais, S30408 indica geralmente a produção de acordo com as normas ASTM e SUS 304 indica a produção de acordo com as normas japonesas. Para manter a resistência à corrosão inerente ao aço inoxidável, o aço deve conter mais de 17% de crómio e 8% de níquel.

O aço inoxidável 304 tem uma excelente resistência à corrosão, boa resistência à corrosão intergranular e excelentes propriedades de processamento e conformação a quente e a frio. Pode ser transformado em vários produtos, tais como chapas, tubos, fios, tiras e formas, e é adequado para o fabrico de peças de encabeçamento a frio, estampagem profunda e estiramento profundo. Tem bom desempenho de baixa temperatura, força, alongamento e área reduzida, todos bons em condições de -180 ℃. Tem bom desempenho de soldagem e pode ser soldado usando métodos convencionais de soldagem. No entanto, o aço inoxidável 304 também tem algumas deficiências, como ser sensível à corrosão intergranular após a soldagem, muito sensível à corrosão sob tensão em água contendo íons cloreto (incluindo atmosferas úmidas), resistência mecânica relativamente baixa e baixo desempenho de corte.

O aço inoxidável 304 L é uma variante do aço inoxidável 304 com um teor de carbono mais baixo, utilizado em aplicações de soldadura. O teor de carbono mais baixo minimiza a precipitação de carbonetos na zona afetada pelo calor perto da soldadura, uma vez que a precipitação de carbonetos pode levar à corrosão intergranular (deterioração da soldadura) do aço inoxidável em determinados ambientes.

③ Aço inoxidável 316 e 316L. O aço inoxidável 316 contém uma certa quantidade de molibdénio e o seu teor de níquel é superior ao do aço inoxidável 304. Assim, a sua resistência à corrosão, a resistência à corrosão atmosférica e a resistência a altas temperaturas são superiores, permitindo a sua utilização em condições mais rigorosas, especialmente porque a sua resistência à corrosão por pite é significativamente melhor do que a do aço inoxidável 304, sendo a sua temperatura crítica de pite superior à do aço inoxidável 304, apresentando uma melhor resistência à temperatura de pite. A pesquisa mostra que a temperatura crítica de corrosão do aço inoxidável 316 é significativamente sensível à concentração da solução de NaCl de 0.1% a 0.5%; dentro dessa faixa, a temperatura crítica de corrosão do material cai drasticamente de cerca de 90 ℃ para 50 ℃. Em contraste, a temperatura crítica de pite do aço inoxidável 304 mostra sensibilidade significativa à concentração da solução de NaCl de 0.01% a 0.05%, dentro desta faixa, a temperatura crítica de pite do material cai drasticamente de perto de 90 ℃ para cerca de 55 ℃. Do ponto de vista da sensibilidade aos íons cloreto, o aço inoxidável 316 também é relativamente superior ao aço inoxidável 304 em termos de resistência à corrosão por pite.

O aço inoxidável 316 L é uma variante do aço inoxidável 316 com um teor de carbono não superior a 0,03%. Tem uma melhor resistência à precipitação de carbonetos do que o aço inoxidável 316, tornando-o adequado para aplicações que não podem ser recozidas após a soldadura e que requerem uma resistência máxima à corrosão.

O aço inoxidável 316L é preferido como material acessório porque garante uma boa resistência à corrosão. As correntes e caixas de relógio topo de gama na indústria relojoeira também utilizam principalmente este tipo de aço.

(2) Novo tipo de aço inoxidável austenítico isento de níquel/baixo teor de níquel

① Elementos alternativos para o aço inoxidável austenítico sem níquel/baixo teor de níquel. O aço inoxidável austenítico tradicional com crómio-níquel expande a região da fase austenítica através do níquel, atrasando a sua transformação para obter uma estrutura monofásica. Uma vez que o níquel é um sensibilizador, o aço inoxidável contendo níquel pode representar um risco de alergia quando em contacto prolongado com a pele ou tecidos humanos. Por conseguinte, a investigação e o desenvolvimento de aço inoxidável austenítico sem níquel que seja amigo do corpo humano tornou-se um ponto de interesse atual em biomateriais metálicos, materiais de relojoaria e materiais de joalharia.

Para obter uma estrutura austenítica monofásica no aço inoxidável sem níquel, é necessário procurar elementos estabilizadores da austenite que possam substituir o níquel. A influência dos elementos de liga na estrutura do aço inoxidável pode ser convertida no correspondente crómio Cr_eq e o equivalente de níquel Ni_eq. Para obter a austenite monofásica e evitar a presença de ferrite δ, a relação de composição de cada elemento de liga deve ser razoavelmente selecionada para assegurar que o equivalente de níquel se situa na região de austenite monofásica acima da área de sombra inclinada. Para o conseguir, devem ser satisfeitas as seguintes condições

Ni_eq≥Cr_eq – 8

O Cr_eq, Ni_eq A fórmula de cálculo é:

Cr_eq=Cr+1.5Mo+1.5W+0.48Si+2.3V+1.75Nb+2.5Al

Ni_eq=Ni+Co+0,1Mn-0,01Mn²+18N+30C

O carbono, o cobalto, o manganês e o azoto são os elementos alternativos mais económicos para estabilizar a austenite. O carbono tem o efeito mais forte na expansão da região da fase austenite, mas pode sensibilizar o aço inoxidável; a capacidade do cobalto para estabilizar a austenite é semelhante à do níquel, mas também acarreta um risco de alergia, pelo que nenhum deles é adequado como substituto primário do níquel. O manganês estabiliza a austenite dentro de um determinado intervalo, mas quando o teor de crómio excede 13%, a adição de manganês por si só não consegue obter uma única fase de austenite. Quando o teor de manganês excede 10%, o manganês torna-se um estabilizador de ferrite. O nitrogénio é um forte elemento estabilizador da austenite; a adição de nitrogénio ao aço inoxidável suprime a formação de fases de ferrite no aço, reduzindo significativamente o teor de ferrite, tornando a fase de austenite mais estável e prevenindo mesmo a transformação martensítica induzida por tensão sob condições severas de trabalho a frio. Assim, o azoto é um substituto muito adequado para o níquel. No entanto, a termodinâmica Fe-Cr-N do sistema indica que quando o teor de crómio é 12%, o azoto pode atingir a austenite dentro de uma gama estreita; para além desta gama, o Cr₂N e CrN e, com um elevado teor de crómio, formar-se-ão ferrite, austenite e Cr₂N, e a liga é também propensa à formação de Cr₂N durante o envelhecimento a baixa temperatura, que não pode suprimir a transformação martensítica. Por conseguinte, o manganês deve ser adicionado ao Fe-Cr-N, utilizando o efeito sinérgico do azoto e do manganês, que é benéfico para a obtenção de uma estrutura austenítica estável.

② Alto teor de azoto sem níquel / baixo níquelel materiais de aço inoxidável austenítico. Países como a Alemanha, a Bulgária, a Suíça, a Áustria e o Japão dão grande importância à investigação e ao desenvolvimento do aço inoxidável com elevado teor de azoto e desenvolveram sucessivamente alguns novos tipos de materiais de aço inoxidável sem níquel com elevado teor de azoto, como a liga BioDur 108 desenvolvida pela Carpenter Technology Corp nos Estados Unidos, a P2000 pela VSG na Alemanha, a P548 desenvolvida pela Bolher na Áustria e a NFS desenvolvida pela Daido Steel no Japão (Quadro 5-3). Alguns deles já foram comercializados e são utilizados em produtos como aplicações biomédicas, relógios e jóias. No entanto, é difícil atingir um grau de processamento exato na produção de pequenos componentes de precisão, e os custos são elevados.

Quadro 5-3 Composições químicas de vários aços inoxidáveis sem níquel com elevado teor de azoto

País	Notas	Composição /wt%
País	Notas	C	Cr	Mn	Mo	N
Suíça	PANACEA	≤0. 15	16. 5~17. 5	10~12	3.0~3. 5	0.8~1.0
Áustria	P548	0.15	16.0	10.0	2.0	0.5
Bulgária	CrMnN18- 11	≤0.08	17~19	10~12	-	0. 4~1. 2
Alemanha	P900	0.05	18.0	18.0	-	0. 6~0. 8
Alemanha	P2000	≤0.05	16.0	14.0	3.0	0.75~1.0
Japão	NFS	0.02	16.0	18.0	-	0.43
Estados Unidos	Liga BioDur 108		19~23	21~24	0. 5~1. 5	0.9
(Yuan Junping, 2012)

③ Propriedades mecânicas de materiais isentos de níquel com elevado teor de azoto/aço inoxidável austenítico com baixo teor de níquel. O aço inoxidável austenítico tradicional com níquel é classificado como um material de baixa resistência em condições de tratamento de solução e é frequentemente reforçado através do trabalho a frio. Alguns aços sofrem uma transformação martensítica induzida por deformação durante uma deformação significativa, conferindo ao material propriedades magnéticas. A resistência, a plasticidade e outras propriedades mecânicas do aço inoxidável com elevado teor de azoto estão intimamente relacionadas com o tamanho do grão e o teor de azoto, com a resistência à tração e o limite de elasticidade a aumentarem significativamente com um teor de azoto mais elevado. O Quadro 5-4 enumera as propriedades mecânicas de alguns dos novos aços inoxidáveis austeníticos com elevado teor de azoto, tanto no estado tratado em solução à temperatura ambiente como no estado processado, mostrando que a resistência no estado processado é significativamente superior à do estado tratado em solução. Ao mesmo tempo, a ductilidade e a plasticidade permanecem elevadas, dificultando a formação de ferrites e a transformação martensítica induzida por deformação.

As principais formas pelas quais o azoto melhora a resistência do aço inoxidável são o reforço da solução sólida, o reforço do tamanho do grão e o endurecimento por deformação. Tal como o carbono, o azoto ocupa os sítios intersticiais octaédricos da estrutura cúbica de face centrada da austenite. Devido ao seu raio atómico mais pequeno do que o do carbono, tem um efeito de expansão da rede mais forte. Os átomos de azoto interagem com as deslocações, proporcionando um maior efeito de fixação das deslocações, e podem também ter um efeito de reforço máximo nos limites de grão da austenite. Para além disso, o reforço de grão fino é também um importante mecanismo de reforço. A via de transformação mostra que, em comparação com o aço inoxidável 304, o aço inoxidável austenítico com elevado teor de azoto tem um efeito de reforço de grão fino significativamente mais pronunciado. O efeito do azoto no endurecimento por deformação do aço inoxidável austenítico é também muito significativo; o aumento do azoto conduz a um aumento dos planos de deslizamento e dos gémeos de deformação, enquanto os planos de deslizamento activos e as camadas gémeas impedem eficazmente o movimento de deslocação e a expansão dos gémeos, aumentando assim consideravelmente a taxa de endurecimento por deformação do aço austenítico.

Quadro 5-4 Propriedades mecânicas de um aço inoxidável austenítico típico com elevado teor de azoto à temperatura ambiente

Grau de liga	Estado	Resistência à tração / MPa	Resistência ao escoamento/ MPa	Taxa de extensão /%	Taxa de contração da secção transversal /%	Dureza
15-15HS^-®	Solução sólida	828	490	56	79	HRB95
Cromanite	Solução sólida	850	550	50		HB250
URANO^-® B46	Solução sólida	650	420	40
URANO^-® B66	Solução sólida	750	420	50
AL4565TM	Solução sólida	903	469	47		HRB90
Datalloy 2TM	Solução sólida	827	760	18	45	HRC33
P2000	Solução sólida	930	615	56.2	77.5
NMS 140	Processamento	1010~1117	876~1020	30~22	68~60	HB311 - 341
P550	Processamento	1034	965	20	50	HB300 - 400
P580	Processamento	1034	965	20	50	HB350 - 450
Amagnit 600	Processamento	1034	965	20	50	HB300
(Yuan Junping, 2012)

④ Resistência à corrosão. O azoto pode melhorar significativamente a resistência à corrosão por pite e à corrosão em fendas do aço inoxidável austenítico em ambientes que contêm iões cloreto. Para descrever a relação entre a quantidade de elementos de liga e o desempenho da corrosão, o equivalente de corrosão por pite é normalmente utilizado para a representar:

PRE= %Cr + 3,3%Mo + x%N

O valor x mais comummente utilizado é 16~30. Por conseguinte, o azoto tem um bom efeito na resistência à corrosão por pite do aço inoxidável. No entanto, o mecanismo de ação do azoto ainda não é muito claro, e especula-se geralmente que existem principalmente os seguintes mecanismos.

Teoria do consumo de ácido. O nitrogénio forma NH4+ durante a dissolução e consome H+ no processo, inibindo assim a diminuição do pH, abrandando a acidificação local da solução e a dissolução do ânodo, e suprimindo o processo auto-catalítico de corrosão, que é mais propício à reação de fixação.
Enriquecimento de azoto na interface. Devido à elevada reatividade do azoto, este acumula-se perto do lado metálico da interface metal-filme de passivação, afectando a cinética de repassivação e permitindo uma passivação rápida, inibindo assim o crescimento estável da corrosão por pites.
O efeito sinérgico do azoto com outros elementos. O azoto enriquece ainda mais o crómio na subcamada da película nitretada, aumentando a sua estabilidade e densidade. O azoto reforça a resistência à corrosão do crómio, molibdénio e outros elementos no aço inoxidável austenítico, suprimindo a dissolução por sobre-passivação do crómio e do molibdénio. Pode também formar uma camada superficial mais resistente durante os processos de corrosão localizados.
Biocompatibilidade. O aço inoxidável austenítico sem níquel com elevado teor de azoto tem uma boa resistência à corrosão, especialmente contra a corrosão por picadas e intergranular, e tem uma elevada resistência ao desgaste. A ausência de níquel no aço evita a sensibilização e outras reacções tecidulares causadas pela precipitação de níquel no corpo humano e na superfície do corpo, demonstrando uma boa biocompatibilidade.

3. Caraterísticas das jóias de aço inoxidável

As jóias em aço inoxidável têm muitas vantagens:

① O brilho metálico do aço inoxidável é muito semelhante ao da platina. É ao mesmo tempo nobre e elegante, mas moderno.

② O aço inoxidável é resistente à corrosão e ao calor, pode resistir à corrosão do pó e é fácil de limpar, necessitando apenas de um pano seco. Não necessita de panos de polimento ou agentes de limpeza.

③ O aço inoxidável é mais duro do que a prata, não se deforma facilmente e não oxida tão facilmente como a prata ou outros metais. Pode manter uma aparência brilhante, suave e atractiva mesmo com o uso prolongado, tornando-o adequado para processar estilos mais minimalistas sem se preocupar com a deformação.

④ O aço inoxidável pode ser apresentado em diferentes estilos, normalmente com uma superfície muito lisa ou mate.

⑤ O preço das jóias de aço inoxidável é facilmente aceitável para o público. Embora o preço da prata tenha aumentado significativamente nos últimos anos, o aço inoxidável permanece num nível aceitável.

⑥ O aço inoxidável tem excelentes propriedades de coloração e pode ser colorido por meio de vários processos, como oxidação química, oxidação eletroquímica, óxido de deposição de íons, oxidação de alta temperatura e craqueamento em fase gasosa, enriquecendo muito os efeitos de decoração de superfície de jóias.

4. Categorias de jóias de aço inoxidável

A gama de jóias em aço inoxidável é muito vasta, com categorias comuns que incluem anéis, pulseiras, braceletes, brincos, pingentes, botões de punho e jóias com piercing.

Secção II Produtos de ligas de titânio

1. Introdução às ligas de titânio

(1) A descoberta do titânio

O titânio foi descoberto pelo químico britânico Gregor R W (1762-1817) em 1791, quando estudava a ilmenite e o rutilo. Quatro anos mais tarde, em 1795, o químico alemão Klaproth M H (1743-1817) também descobriu este elemento ao analisar o rutilo vermelho da Hungria. Propôs dar-lhe o nome da raça de deuses da mitologia grega, os "Titãs", seguindo o método utilizado para o urânio (descoberto por Klaproth em 1789). Em chinês, é designado por "Tài" com base na sua pronúncia fonética.

O titânio descoberto por Gregor e Klaproth nessa altura era dióxido de titânio em pó, não titânio metálico. Como os óxidos de titânio são extremamente estáveis e o titânio metálico pode reagir violentamente com o oxigénio, azoto, hidrogénio, carbono e outros, não é fácil obter titânio elementar. Só em 1910 é que o titânio metálico puro, com uma pureza de 99,9%, foi produzido pela primeira vez pelo químico americano Hunter (Hunter M A).

(2) Propriedades do titânio

O titânio puro tem um brilho metálico prateado e é dúctil. A densidade é de 4,51g/cm³, o ponto de fusão é 1668 ℃ e o ponto de ebulição é 3287 ℃. As valências são +2, +3 e +4. As principais caraterísticas do titânio são sua baixa densidade e alta resistência mecânica. A plasticidade do titânio depende principalmente de sua pureza. Quanto mais puro for o titânio, maior será a sua plasticidade. Tem boa resistência à corrosão e não é afetado pela atmosfera e pela água do mar. À temperatura ambiente, o titânio é estável no ar e não é corroído por ácido clorídrico diluído, ácido sulfúrico diluído, ácido nítrico ou soluções alcalinas diluídas; apenas o ácido fluorídrico, o ácido clorídrico concentrado a quente e o ácido sulfúrico concentrado podem atuar sobre ele. Devido à sua baixa densidade, elevada resistência específica, alta temperatura e resistência à corrosão, as ligas de titânio são boas para fabricar invólucros de motores de foguetões, satélites artificiais e naves espaciais. O titânio é conhecido como "metal espacial". Devido a estas vantagens, o titânio tornou-se um metal raro proeminente desde a década de 1950.

Devido à sua resistência à corrosão e à sua elevada estabilidade, o sódio não afecta a sua essência após um contacto prolongado com os seres humanos e não provoca alergias; é o único metal que não afecta os nervos autónomos e o paladar humanos. O titânio tem aplicações médicas únicas e é conhecido como um "metal amigo do ambiente".

Devido ao elevado ponto de fusão do titânio, a fundição de sódio tem de ser efectuada a altas temperaturas e, a altas temperaturas, as propriedades químicas do titânio tornam-se muito reactivas. Por conseguinte, a fundição deve ser realizada sob a proteção de gases inertes e deve ser evitada a utilização de materiais que contenham oxigénio, o que impõe elevadas exigências ao equipamento e aos processos de fundição.

(3) Principais categorias de ligas de titânio

De acordo com a composição da liga, o titânio divide-se em duas categorias: o titânio puro industrial e as ligas de titânio. O titânio puro industrial inclui três tipos: TA1, TA2 e TA3. As ligas de titânio são ligas compostas de titânio como base com outros elementos adicionados, incluindo TA4 ～ TA8, TB1 ～ TB2, TC1 ～ TC10 e outras categorias, entre as quais as ligas de titânio mais utilizadas pela indústria são TC4, TA7 e titânio puro industrial (TA1, TA2 e TA3). As principais composições químicas de várias ligas de titânio são mostradas na Tabela 5-5, o conteúdo permitido de elementos de impureza é mostrado na Tabela 5-6 e as propriedades mecânicas de vários materiais de liga de titânio são mostradas na Tabela 5-7.

Tabela 5-5 Composição química principal das ligas de titânio

Notas	Componentes principais (fração de massa) （%）
Notas	Ti	A1	Cr	Mo	Sn	Mn	V	Fe	Cu	Si	Zr	B
TA0	Base
TA1	Base
TA2	Base
TA3	Base
TA4	Base	2.0~3. 3
TA5	Base	3. 3~4.3										0.005
TA6	Base	4.0~5.5
TA7	Base	4.0~5.5			2. 0~3.0				2. 5~3.2		1. 0~1.5
TA8	Base	4. 5~5.5			2.0~3.0
TB1	Base	3.0~4.0	10.0~11.5	7. 0~8. 0
TB2	Base	2. 5~3.5	7.5~8.5	4. 7~ 5.7			4. 7~
TC1	Base	1. 0~2.5				0.8~2.0
TC2	Base	2.0~3. 5				0. 8~2.0
TC3	Base	4. 5~6.0					3. 5~4.5
TC4	Base	5. 5~6.8					3. 5~4.5
TC5	Base	4. 0~6.2	2.0~3.0
TC6	Base	4.5~6.2	1.0~2.5	1.0~2.8				0. 5~1.5
TC7	Base	5.0~6.5	0. 4~0.9					0. 25~0. 60		0. 25~0. 60		0.01
TC8	Base	5. 8~6.8		2. 8~3.8						0. 20~0. 35
TC9	Base	5. 8~6.8		2. 8~3.8						0. 20~0. 40
TC10	Base	5. 5~6.5					5. 5~6.5	0. 35~1.0	0. 35~1.0
(Xie Chengmu, 2005; Zhang Xiyan et al., 2005)

Quadro 5-6 Teor admissível de elementos de impureza nas ligas de titânio

Notas	Impurezas não superiores a (fração mássica) （％）
Notas	Fe	Si	C	N	H	O
TA0	0.03	0.3	0.03	0.01	0.015	0.05
TA1	0. 15	0.1	0.05	0.03	0.015	0.1
TA2	0. 3	0.15	0.1	0.05	0. 015	0.15
TA3	0.3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TA4	0. 3	0.05	0.1	0.05	0. 015	0.15
TA5	0. 3	0.15	0.1	0.04	0.015	0.15
TA6	0. 3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TA7	0. 3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.2
TA8	0.3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TB1	0.3	0.15	0.1	0.04	0.015	0.15
TB2	0.3	0.05	0.05	0.04	0. 015	0.15
TC1	0.4	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TC2	0.4	0.15	0.1	0.05	0. 015	0.15
TC3	0.3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TC4	0. 3	0.15	0.1	0.05	0.015	0.15
TC5	0. 5	0.4	0.1	0.05	0.015	0.2
TC6		0.4	0.1	0.05	0.015	0.2
TC7			0.1	0.05	0.025	0.3
TC8			0.1	0.05	0.015	0.15
TC9			0.1	0.05	0. 015	0.15
TC10		0.15	0.1	0.04	0.015	0.2
(Xie Chengmu, 2005; Zhang Xiyan et al., 2005)

Tabela 5-7 Propriedades mecânicas das ligas de titânio

Notas	Estado	Desempenho à temperatura ambiente				Desempenho a altas temperaturas			Notas
		σ _b	δ	ψ	ɑ _k	T	σ _b	σ ₁₀₀
		MPa	%	%	MJ/m²	℃	MPa	MPa
TA0	Recozimento
TA1	Recozimento	350	25	50	0.8				stock de barras
TA2	Recozimento	450	20	45	0.7				stock de barras
TA3	Recozimento	550	15	40	0.5				stock de barras
TA4	Recozimento								stock de barras
TA5	Recozimento	700	15	40	0.6				stock de barras
TA6	Recozimento	700	10	27	0.3	350	430	400	stock de barras
TA7	Recozimento	800	10	27	0.3	350	500	450	stock de barras
TA8	Atenuar a atualidade	1000	10	25	0. 2 ~ 0. 3	500	700	500	stock de barras
TB1	Atenuar a atualidade	≤1 000	18	30	0.3				stock de barras
TB1	Atenuar a atualidade	1 300	5	10	0.15				stock de barras
TB2	Atenuar a atualidade	≤1 000	18	40	0.3				stock de barras
TB2	Atenuar a atualidade	1 400	7	10	0.15				stock de barras
TC1	Recozimento	600	15	30	0.45	350	350	300	stock de barras
TC2	Recozimento	700	12	30	0.4	350	430	400	stock de barras
TC3	Recozimento	900	10			400	600	550	Folha (1. 0~2. 0)
TC4	Recozimento	950	10	30	0.4	400	630	580	stock de barras
TC5	Recozimento	950	10	23	0. 3	400	600	560	stock de barras
TC6	Recozimento	950	10	23	0.3	450	600	550	stock de barras
TC7	Recozimento	1000	10	23	0. 35	550	600		stock de barras
TC8	Recozimento	1050	10	30	0.3	450	720	700	stock de barras
TC9	Recozimento	1140	10	25	0. 3	500	650	620	stock de barras
TC10	Recozimento	1 050	12	25
TC10	Recozimento	1 050	12	30
(Xie Chengmu, 2005; Zhang Xiyan et al., 2005)

(4) O efeito dos elementos de liga nas propriedades das ligas de titânio

Existem dois tipos de cristais homogêneos e heterogêneos em titânio: abaixo de 882 ℃ está a estrutura hexagonal compactada α titânio, e acima de 882 ℃ está o titânio β cúbico centrado no corpo. Os elementos de liga podem ser divididos em três categorias com base em sua influência na temperatura de transição de fase.

① Estabilidade α fase: Os elementos que aumentam a temperatura de transição de fase são elementos α estáveis, incluindo alumínio, carbono, oxigénio e azoto. O alumínio é o principal elemento de liga nas ligas de titânio e melhora significativamente a resistência da liga a temperaturas ambiente e elevadas, reduz a gravidade específica e aumenta o módulo de elasticidade.

② Fase β estável: Os elementos que baixam a temperatura de transição de fase são elementos β estáveis, que podem ser divididos em dois tipos: isomorfos e eutectoides. Os primeiros incluem o molibdénio, o nióbio e o tungsténio; os segundos incluem o crómio, o manganês, o cobre, o ferro e o silício.

③ Elementos neutros, como o cobalto e o estanho, afectam pouco a temperatura de transição de fase.

O oxigénio, o azoto, o carbono e o hidrogénio são as principais impurezas das ligas de titânio. O oxigénio e o azoto têm uma solubilidade relativamente elevada na fase α, reforçando significativamente a liga de titânio, mas reduzem a plasticidade. É normalmente estipulado que o teor de oxigénio e azoto do sódio deve ser inferior a 0,15%~0,2% e 0,04%~0,05%, respetivamente. A solubilidade do hidrogénio na fase α é muito baixa, e o excesso de hidrogénio dissolvido nas ligas de titânio pode formar hidretos, tornando a liga quebradiça. Normalmente, o teor de hidrogénio nas ligas de titânio é controlado para ser inferior a 0,015%. A dissolução do hidrogénio no titânio é reversível e pode ser removida por recozimento sob vácuo.

(5) Caraterísticas das ligas de titânio

Com uma elevada resistência específica, a resistência à tração pode atingir 1000~1400MPa, enquanto a densidade é apenas 60% a do aço.
A resistência à temperatura média é boa, e a temperatura de operação é várias centenas de graus mais alta do que a das ligas de alumínio. Ele ainda pode manter a força necessária em temperaturas médias e pode funcionar por um longo tempo a essa temperatura de 450 ~ 500 ℃.
Boa resistência à corrosão: A superfície do titânio forma imediatamente uma película de óxido uniforme e densa na atmosfera, que pode resistir à erosão de vários meios. Geralmente, o titânio tem boa resistência à corrosão em meios oxidantes e neutros, e a sua resistência à corrosão é ainda mais excelente em água do mar, gás cloro húmido e soluções de cloreto.
Bom desempenho a baixas temperaturas, mantendo um certo nível de plasticidade mesmo a temperaturas muito baixas.
Baixo módulo de elasticidade, baixa condutividade térmica, não ferromagnético.

2. Liga de titânio decorativa

As ligas de titânio utilizadas no fabrico de jóias são geralmente titânio industrial puro. A diferença entre o titânio industrial puro e o titânio quimicamente puro é que este contém mais oxigénio, azoto, carbono e outros elementos de impureza (como o ferro, o silício, etc.). É uma liga de titânio com um baixo teor de liga. Em comparação com o titânio quimicamente puro, a presença de mais elementos de impureza aumenta significativamente a sua resistência, e as suas propriedades mecânicas e caraterísticas químicas são semelhantes às do aço inoxidável (mas ainda com menor resistência em comparação com as ligas de titânio).

As caraterísticas do titânio puro industrial são: tem baixa resistência mas boa plasticidade, com certas capacidades de processamento e conformação, e pode ser processado utilizando técnicas como estampagem, soldadura e corte; tem boa resistência à corrosão na atmosfera, água do mar, gás cloro húmido e meios oxidantes, neutros e fracamente redutores, e a sua resistência à oxidação é melhor do que a da maioria dos aços inoxidáveis austeníticos, mas a sua resistência ao calor é relativamente fraca, com uma temperatura de funcionamento não muito elevada.

Com base nos diferentes teores de impurezas, o titânio puro industrial é dividido em três classes: TA1, TA2 e TA3. Os elementos de impureza intersticiais nestes três graus de titânio puro industrial aumentam gradualmente, resultando num aumento correspondente da resistência mecânica e da dureza, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem em conformidade.

O sódio puro industrial na indústria da joalharia é o TA2 devido à sua resistência moderada à corrosão e às suas propriedades mecânicas abrangentes. Quando é necessária uma maior resistência à corrosão e força, pode ser utilizado o TA3, e quando é necessário um melhor desempenho de conformação, pode ser utilizado o TA1.

Atualmente, existem muitos acessórios no país designados por aço titânio, mas o material utilizado não é o titânio, é o aço inoxidável. Para chamar a atenção, chama-se aço de titânio; alguns até se referem a ele como acessórios de liga de titânio, que são acessórios de aço inoxidável que não contêm titânio. O aço titânio e o aço inoxidável são dois materiais diferentes que podem ser facilmente distinguidos:

Em termos de peso, o titânio é mais leve do que o aço; para o mesmo volume, o titânio tem apenas cerca de metade do peso do aço. A densidade do titânio é de 4,5g/cm³e o do aço é de 7,845g/cm³.
Em termos de cor, o titânio é um pouco mais escuro do que o aço, enquanto o aço é mais branco; a diferença entre as duas cores é bastante evidente.

3. Caraterísticas das jóias em liga de titânio

(1) Caraterísticas essenciais

① Luz. A gravidade específica do titânio é de 4,5, cerca de metade da gravidade específica de ligas como o aço inoxidável, o cobalto e o crómio. É também muito mais leve do que o ouro e a prata, o que o torna vantajoso para o fabrico de brincos, colares e outras jóias.

② O titânio tem boa resistência à corrosão. O titânio é um elemento altamente reativo que reage facilmente com o oxigénio para formar TiO2. Ainda assim, a película de óxido que se forma na superfície do titânio é extremamente completa e densa, com a capacidade de se auto-reparar instantaneamente após danos localizados, e é estável na maioria dos ambientes. Esta é a base teórica da resistência à corrosão do titânio. As vantagens que demonstra na joalharia são que não corrói nem muda de cor, consegue manter um bom brilho durante muito tempo e não tem medo da água.

③ O titânio pode ser colorido. O titânio metálico tem uma caraterística muito interessante: quando o titânio é colocado num eletrólito e é aplicada uma determinada corrente, a sua superfície será electrolisada para formar uma camada de película de óxido, e a espessura da película de óxido pode determinar a mudança de cor sem a necessidade de elementos adicionais. As cores que podem agora ser produzidas incluem o dourado, o preto, o azul, o castanho e várias outras cores. Esta caraterística permite desenhos mais coloridos e modernos em jóias.

④ O sódio não é facilmente deformado e não precisa de ser remodelado. O titânio tem uma elevada dureza, não se deforma facilmente e, ao contrário das jóias de ouro e prata comuns, não precisa de ser remodelado depois de ser usado durante algum tempo.

(2) Caraterísticas da moda

① Novo símbolo de material. O aparecimento das jóias de titânio marca a quebra da tradição com novos materiais, desafiando o domínio das antigas jóias de ouro e prata na indústria. Para além da decoração, as jóias há muito que se tornaram um símbolo de estatuto e identidade. À medida que um terceiro tipo de metal - o titânio - entra na indústria da joalharia, acrescenta saúde, elegância e apelo de moda às peças.

② Símbolo do espírito feminino. O titânio é muito leve mas extremamente resistente, representando as mulheres urbanas que são leves, bonitas e resistentes.

③ Símbolo do espírito masculino. Em 1795, o cientista alemão Klaproth descobriu o titânio enquanto estudava o rutilo. Deu-lhe o nome do titã (titan) da mitologia grega antiga, que incorpora o mesmo significado de espírito e coragem. A sua força natural e a sua textura reflectem o espírito heroico do Titã, mostrando o espírito "Titã" dos homens urbanos como filhos da terra.

④ Símbolo do amor. O titânio é altamente resistente à corrosão; não mancha como a prata e mantém a sua cor durante toda a vida à temperatura ambiente. As jóias de casal representam a fidelidade do amor, nunca traindo, e mantendo sempre a qualidade suprema.

(3) Caraterísticas de saúde

O titânio metálico não é nocivo para o corpo humano. A prática médica provou que os órgãos de titânio podem ser implantados no corpo humano durante muito tempo, demonstrando a sua inocuidade para o corpo. As jóias de titânio, após contacto prolongado com o corpo, não causam alergias ou efeitos adversos na pele, nos nervos ou no paladar, apresentando boa biocompatibilidade e estabilidade. Por isso, o titânio metálico é também conhecido como um metal biocompatível. É inofensivo para o corpo humano e pode ser a joia preferida para pessoas modernas com alergias de pele.

(4) Caraterísticas da aviação

O sódio é também conhecido como metal espacial. No rápido desenvolvimento da indústria aeroespacial do nosso país, o público prestará certamente mais atenção à aviação, e o titânio, como material preferido para as naves espaciais, entrará inevitavelmente na vida das pessoas modernas movidas pelo entusiasmo pela indústria aeroespacial. Nas repetidas viagens da nave espacial "Shenzhou" ao espaço, o titânio pode servir como um símbolo para as pessoas comuns comemorarem as conquistas aeroespaciais do nosso país.

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4. Categorias de Jóias em Liga de Titânio

Devido ao tom cinzento-prateado único do titânio, quer seja polido, acetinado ou mate, tem um bom desempenho e é o metal de joalharia mais adequado depois dos metais preciosos como a platina e o ouro. É frequentemente utilizado no design de jóias modernas no estrangeiro e é um material popular a nível internacional, muito apreciado pelos jovens profissionais. Além disso, o artesanato em titânio é uma nova geração de presentes de alta qualidade no mercado. São uma combinação viva de artesanato tradicional e ciência e tecnologia modernas. Possuem valor prático, de armazenamento, estético e artístico, tornando-os presentes essenciais de alta qualidade para amigos e visitantes no estrangeiro.

A principal série de produtos de jóias de titânio inclui os seguintes nove tipos.

Os anéis de titânio são os seus produtos, incluindo as séries de poupança de ude, engaste de pedra, revestimento, escavação, escultura, simplicidade e gravação decorativa.
Pendente em titânio.
Corrente de titânio. Inclui braceletes e colares, com destaque para as braceletes.
Botões de punho, clipes de gravata, etc. em titânio
Brincos e jóias com piercing para o corpo. As jóias com piercing para o corpo são bastante populares no estrangeiro e estão apenas a começar no mercado nacional; o metal de titânio não causa danos ao corpo humano e, em primeiro lugar, serve a procura de saúde e longevidade. A prática médica provou que os órgãos de titânio podem ser implantados no corpo humano durante muito tempo, demonstrando a sua inocuidade para o corpo humano.
Relógio em titânio.
Produtos de saúde combinados com metais como o titânio e o germânio. Principalmente produtos de saúde da série de sódio, que atualmente são principalmente importados e bastante caros; as jóias de titânio podem promover a circulação sanguínea e melhorar a capacidade de cura natural, enquanto o germânio também pode substituir o desempenho funcional do oxigênio. Após o contato com a pele, a partir de um aumento de temperatura de cerca de 0,5 ℃, pode melhorar a circulação sanguínea e auxiliar na descarga suave de resíduos (cátions, prótons) do sangue. O germânio pode restaurar o potencial elétrico do corpo para um estado normal de equilíbrio. Uma explicação para este fenómeno é que o germânio pode começar a mover os electrões para a órbita mais externa com base na energia da temperatura corporal, permitindo que os electrões livres entrem e saiam livremente, restaurando assim o equilíbrio caótico do potencial elétrico dos circuitos nervosos para o funcionamento normal. Este efeito eletrónico dos semicondutores pode estimular a ativação das células nervosas e aliviar os sintomas de desconforto no corpo.
A série Daily Necessities oferece uma vasta gama de produtos. Por exemplo, existem armações de óculos em titânio, artigos de papelaria em titânio, bengalas em titânio, espadas em titânio, cinzeiros em titânio, gravuras em titânio, utensílios de vinho em titânio e loiça em titânio.
Séries de equipamento desportivo. Por exemplo, tacos de golfe, raquetes de ténis, raquetes de badminton, etc.

As jóias de titânio já desenvolveram uma certa gama de produtos, não apenas um único artigo. Os seus produtos têm uma certa profundidade, proporcionando uma vasta gama de escolhas que conduzem à sua rápida popularidade.

5. A situação do mercado das jóias de titânio

As jóias de titânio são um tipo emergente de produto de joalharia que está gradualmente a ser reconhecido e aceite por cada vez mais pessoas. Como o titânio metálico tem muitas propriedades excelentes, é muito adequado para o processamento de jóias. Com a melhoria da tecnologia de processamento, as jóias de titânio ganharam popularidade internacionalmente desde 2000. Muitas pessoas aceitam agora o titânio como um metal para a produção de jóias, e a procura de jóias de titânio está a aumentar anualmente. Algumas marcas de jóias de renome mundial também começaram a lançar jóias de titânio, o que pode atrair a atenção para os produtos de titânio metálico e estimular a procura.

Devido aos elevados requisitos técnicos para o processamento do sódio, é difícil fundi-lo e moldá-lo com equipamento convencional, e é também um desafio soldá-lo com ferramentas comuns, o que cria dificuldades significativas para atingir a escala de produção. Além disso, a tecnologia e o conhecimento para fazer jóias de titânio são pouco divulgados no país. Por conseguinte, embora as jóias de titânio sejam populares nos países ocidentais há muito tempo, continuam a ser um conceito novo para os chineses e a capacidade de produção nacional é baixa. Atualmente, o consumo de produtos de titânio no país está apenas a começar, e não está ao mesmo nível das jóias tradicionais de ouro e prata. O mercado está atualmente em expansão, mas isto representa uma rara oportunidade. A diversificação dos materiais de joalharia será uma tendência importante no mercado, e o titânio, como terceiro metal, quebrará inevitavelmente o domínio tradicional das jóias de ouro e prata devido às suas caraterísticas inerentes.

Secção III Processo de conformação de produtos de aço inoxidável e de ligas de titânio

1. Processo de conformação mecânica

As jóias de aço inoxidável e de liga de titânio utilizam amplamente processos de conformação mecânica que estão intimamente relacionados com as suas caraterísticas materiais. O aço inoxidável e as ligas de titânio têm pontos de fusão elevados, o que dificulta a fundição, ao passo que a dureza do aço inoxidável e da liga de titânio utilizados na joalharia é relativamente baixa, possuindo certas capacidades de processamento plástico. É possível obter jóias de alta qualidade utilizando parâmetros e equipamento de processamento mecânico adequados.

1.1 Maquinação e conformação

Algumas peças estruturalmente simples podem ser diretamente processadas e moldadas para produzir jóias em aço inoxidável e ligas de titânio. Os métodos comuns incluem maquinagem, maquinagem por descarga eléctrica e gravação.

(1) Corte e enformação

A utilização de um torno para processar diretamente perfis de aço inoxidável ou de liga de titânio em jóias é mais comum em jóias de anéis e pulseiras, representando uma grande proporção. As Figuras 5-1 e 5-2 mostram anéis de aço inoxidável e de liga de titânio moldados usando um torno.

O acabamento é difícil devido às caraterísticas do material do aço inoxidável e da liga de titânio. Com base nestas propriedades, é necessário selecionar e formular os parâmetros de processamento correspondentes para garantir a precisão do processamento e a qualidade da superfície das jóias.

① Maquinação de anéis de aço inoxidável. Na produção atual, o processamento do aço inoxidável é relativamente difícil. Se não conseguir dominar as suas caraterísticas, não conseguirá obter a qualidade de processamento desejada durante o corte e causará danos significativos nas ferramentas.

As razões que explicam a dificuldade de maquinagem do aço inoxidável prendem-se principalmente com os cinco aspectos seguintes.

As propriedades mecânicas globais do aço inoxidável são elevadas. Devido ao maior teor de elementos de liga, como o crómio e o níquel, no aço inoxidável, as propriedades mecânicas do material alteraram-se significativamente. Do ponto de vista de vários indicadores de desempenho mecânico, as propriedades mecânicas do aço inoxidável têm caraterísticas que as distinguem do aço normal, sendo os indicadores de desempenho de resistência e de tenacidade plástica relativamente elevados. Este facto resultou na caraterística do aço inoxidável ser difícil de maquinar.
A forte aderência das aparas facilita a construção de ferramentas. O aço inoxidável tem uma maior aderência, o que faz com que o material se "ligue" à ferramenta durante o acabamento, resultando em "acumulação de ferramenta".
Baixa condutividade térmica; o calor de corte não pode ser dissipado a tempo. O calor transferido para a ferramenta pode atingir 20%, e a aresta de corte da ferramenta é suscetível de sobreaquecimento, perdendo a capacidade de corte.
As batatas fritas não se partem facilmente. No corte de metais, a formação de aparas a partir de materiais dúcteis (materiais resistentes) passa por quatro fases: extrusão, deslizamento, fratura e separação. Devido ao alongamento geralmente elevado, à contração da secção transversal e aos valores de impacto do aço inoxidável, especialmente para o aço inoxidável austenítico cromo-níquel 304(L) e 316(L) utilizado em joalharia, tanto o alongamento como a tenacidade são bons, dificultando a formação de aparas e a sua quebra durante o processo de corte. Nas operações de perfuração, brocagem e corte, a remoção de aparas é difícil e as aparas podem riscar facilmente a superfície processada.
A tendência para o endurecimento por trabalho é forte, tornando as ferramentas propensas ao desgaste. O aço inoxidável austenítico tem uma forte tendência para endurecer por trabalho, com uma elevada dureza da camada endurecida por trabalho e uma certa profundidade de endurecimento por trabalho, o que aumenta a dificuldade de processamento e o desgaste da ferramenta.

As medidas a tomar no corte de aço inoxidável são as seguintes.

Em primeiro lugar, escolha uma forma geométrica razoável para a ferramenta de corte, facilitando a deformação do corte, reduzindo a força de corte e permitindo que as aparas se formem e descarreguem suavemente. Diferentes ferramentas devem ter os seguintes requisitos para a geometria da peça de corte:

Ângulo de inclinação. Um ângulo de inclinação maior reduz a força de corte e o calor, diminui a vibração durante o corte e enfraquece o efeito de endurecimento do trabalho. O ângulo de inclinação entre 12° e 30° pode geralmente ser selecionado dependendo do tipo de ferramenta, do material da ferramenta e das condições de corte. Ao mesmo tempo, um ângulo de flanco positivo aumenta a resistência da aresta de corte; um chanfro negativo é retificado na aresta de corte principal para fortalecer a lâmina.
A forma à frente. Quando se processa aço inoxidável, devido ao facto de o material ser relativamente duro e macio, as limalhas sofrem uma forte fricção com a parte frontal da ferramenta durante o seu processo de formação e enrolamento, fazendo com que se forme gradualmente um poço em forma de crescente na parte frontal da ferramenta. O centro do poço em forma de crescente é o centro de pressão das limalhas contra a frente da ferramenta. Com base nas caraterísticas acima referidas, uma ranhura curva para aparas é pré-afiada na parte frontal da ferramenta para abrandar o desgaste da aresta de corte e aumentar a resistência da ponta.
Ângulo de alívio. A influência do ângulo de alívio no processo de corte não é geralmente tão sensível como a do ângulo de inclinação. No entanto, devido à deformação significativa do metal durante o corte de aço inoxidável, se o ângulo de alívio da ferramenta for pequeno, é suscetível de fricção severa com a superfície da peça de trabalho, resultando num aumento da rugosidade da superfície, endurecimento por trabalho e desgaste exacerbado da ferramenta. Ao mesmo tempo, isto piora as condições para os processos de corte subsequentes. Quando o ângulo de alívio da ferramenta de acabamento é α＜6°, a superfície da peça de trabalho apresenta um fenómeno de rugosidade. Este fenómeno é particularmente grave quando a taxa de alimentação e a quantidade de corte posterior são relativamente pequenas. Portanto, um ângulo de alívio um pouco maior é geralmente selecionado ao cortar aço inoxidável. No entanto, se o canto posterior for demasiado grande, a resistência da aresta de corte será reduzida.

Em segundo lugar, escolha materiais de ferramenta adequados. Devido às caraterísticas do próprio aço inoxidável, a parte cortante da ferramenta deve ter uma elevada resistência ao desgaste e dureza vermelha durante a maquinagem, e é muitas vezes mais importante concentrar-se na seleção da tenacidade do que na durabilidade.

O terceiro ponto é a seleção dos parâmetros de corte. Ao escolher os parâmetros de corte, devem ser considerados os seguintes factores: os parâmetros de corte devem ser selecionados com base na dureza do aço inoxidável e de várias matérias-primas; os parâmetros de corte devem ser selecionados com base no material da ferramenta, na qualidade da soldadura e nas condições de retificação da ferramenta do torno; os parâmetros de corte devem ser selecionados com base no diâmetro da peça, no tamanho da margem de maquinagem e na precisão do torno.

Em quarto lugar, os requisitos de arrefecimento e lubrificação. O líquido de refrigeração utilizado para cortar aço inoxidável deve ter um elevado desempenho de refrigeração para remover uma grande quantidade de calor. Também deve ter um bom desempenho de lubrificação para proporcionar uma lubrificação externa eficaz. Deve ter uma boa permeabilidade para facilitar a cunha, a difusão e a lubrificação interna. Além disso, deve ter um bom desempenho de lavagem e métodos de fornecimento para satisfazer as necessidades de remoção de aparas.

② Maquinação de anéis de liga de titânio. O fraco desempenho da maquinagem das ligas de titânio pode ser medido em termos de durabilidade da ferramenta, da qualidade da superfície maquinada e da dificuldade de formação e remoção de aparas. As razões para a dificuldade em maquinar materiais de sódio e ligas de titânio reflectem-se principalmente nos seguintes aspectos.

Os coeficientes de condutividade térmica e de difusividade térmica são baixos. A condutividade térmica e os coeficientes de difusividade térmica dos materiais de liga de titânio são apenas 1/15 do alumínio e das ligas de alumínio, 1/5 do aço. São inferiores aos coeficientes de condutividade térmica do aço inoxidável e das ligas de alta temperatura. A baixa condutividade e difusividade térmicas resultam em diferenças de temperatura significativas e elevadas tensões térmicas durante a maquinagem, dificultando a dissipação do calor de corte e conduzindo a fenómenos de adesão à maquinagem.
O contacto entre a aresta de corte e a superfície de corte frontal é pequeno, o que resulta numa elevada tensão na aresta de corte. Esta concentração de tensões torna a ferramenta suscetível de sofrer desgaste e danos.
A elevada reatividade química leva à formação de uma camada de óxido durante o processamento, que é muito dura e acelera o desgaste da ferramenta.
Um grande coeficiente de atrito, um pequeno módulo de elasticidade e um elevado limite de elasticidade causam uma deformação de ricochete significativa na superfície dos produtos processados, afectando assim a sua precisão de processamento.

As medidas tomadas no processamento de corte de ligas de titânio são semelhantes às do aço inoxidável, mas devido à natureza especial dos materiais de liga de titânio, deve prestar-se atenção aos três pontos seguintes durante o processamento de corte.

A primeira é a seleção das máquinas-ferramentas de corte e dos dispositivos de fixação. As máquinas-ferramentas de corte devem ter alta potência, boa rigidez e uma grande variedade de velocidades e taxas de avanço. A rigidez dos acessórios deve ser boa e a força de aperto durante o acabamento não deve ser demasiado grande para reduzir a deformação das peças processadas e garantir a precisão do processamento.

A segunda é a seleção dos materiais da ferramenta. No processo de corte de ligas de titânio de alta resistência e alta dureza, a força de corte na ferramenta é muito grande e, por vezes, pode ocorrer o fenómeno de retrocesso da peça de trabalho. A camada de óxido duro pode danificar a superfície das lâminas de metal duro. Isto requer que o material da ferramenta mantenha dureza suficiente e boa resistência ao desgaste a altas temperaturas e resistência ao calor. Por conseguinte, ao cortar ligas de titânio, as ferramentas de carboneto devem ser prioritárias e as ferramentas de aço rápido devem ser utilizadas apenas quando a temperatura é relativamente baixa. Nunca utilize materiais de ferramentas que contenham titânio, uma vez que estes materiais podem ligar-se facilmente às ligas de titânio a altas temperaturas, levando a um desgaste rápido da ferramenta.

A terceira é escolher corretamente os parâmetros de corte. Isso inclui velocidade de corte, profundidade e taxa de alimentação, o que pode melhorar a eficiência do processamento e reduzir os custos de produção. A temperatura de corte das ferramentas de metal duro deve ser controlada dentro de 600 ~ 800 ℃, enquanto a temperatura de corte das ferramentas de aço rápido deve ser controlada dentro de 450 ~ 560 ℃.

(2) Formação por descarga eléctrica

① Introdução à maquinagem por descarga eléctrica. A maquinagem por descarga eléctrica é conduzida num meio líquido, em que o dispositivo de ajuste automático do avanço da máquina-ferramenta mantém um intervalo de descarga adequado entre a peça de trabalho e o elétrodo da ferramenta. Quando é aplicada uma forte tensão de impulso entre o elétrodo da ferramenta e a peça de trabalho (atingindo a tensão de rutura do fluido no intervalo), este rompe-se com a menor resistência de isolamento do fluido. Devido à pequena área de descarga e ao tempo de descarga extremamente curto, a energia é altamente concentrada, fazendo com que a temperatura na área de descarga atinja 10000-12000 ℃ instantaneamente, resultando em fusão localizada e até mesmo vaporização do metal nas superfícies da peça de trabalho e do eletrodo da ferramenta. O metal derretido e vaporizado localmente é ejetado no fluido de trabalho sob força explosiva e é resfriado em pequenas partículas de metal, que são então rapidamente lavadas da área de trabalho pelo fluido de trabalho, formando um pequeno poço na superfície da peça de trabalho. Após cada descarga, a força de isolamento do meio recupera, aguardando a próxima descarga. Este processo repete-se, corroendo continuamente a superfície da peça de trabalho e reproduzindo a forma do elétrodo da ferramenta, atingindo assim o objetivo de moldagem e maquinagem.

A maquinação por descarga eléctrica inclui várias formas, tais como a formação por descarga eléctrica, o corte de fio por descarga eléctrica, a retificação por descarga eléctrica, a perfuração por descarga eléctrica e várias aplicações especializadas de maquinação por descarga eléctrica.

A maquinagem por descarga eléctrica é amplamente utilizada na produção de jóias em aço inoxidável e ligas de titânio, principalmente em dois aspectos: em primeiro lugar, o corte de fio por descarga eléctrica é utilizado para o processamento direto de jóias; em segundo lugar, o corte por descarga eléctrica e a conformação são utilizados para criar moldes para posterior estampagem e produção hidráulica de jóias.

② Maquinação por descarga eléctrica com corte de fio (WEDM), por vezes designada por corte de fio. O seu princípio básico de funcionamento consiste em utilizar um fio metálico fino em movimento contínuo (denominado fio do elétrodo) como elétrodo para realizar a maquinação por descarga de faíscas na peça de trabalho, cortando-a e moldando-a. É utilizado principalmente para processar várias formas complexas e peças pequenas de precisão, tais como moldes de punção, moldes de matriz, moldes convexo-côncavos, placas fixas, placas de descarga, ferramentas de formação, modelos, eléctrodos metálicos para processamento de formação de descarga eléctrica, vários furos finos, ranhuras, costuras estreitas, curvas arbitrárias, etc. Apresenta vantagens notáveis, tais como pequena margem de maquinação, elevada precisão, ciclo de produção curto e baixo custo de fabrico, e tem sido amplamente aplicada na produção. As máquinas de descarga eléctrica de corte a fio representam mais de 60% do número total de máquinas de maquinagem eléctrica nacionais e internacionais.

De acordo com as diferentes velocidades de funcionamento do fio do elétrodo, as máquinas de corte de fio de descarga eléctrica são normalmente divididas em duas categorias: uma é a máquina de corte de fio de descarga eléctrica de alta velocidade, onde o fio do elétrodo se move para trás e para a frente a alta velocidade, geralmente com uma velocidade de alimentação do fio de 0.2m/s, o fio do elétrodo pode ser reutilizado, a velocidade de processamento é relativamente alta, mas a alimentação rápida do fio pode facilmente fazer com que o fio do elétrodo trema e faça uma pausa durante o movimento inverso, levando a um declínio na qualidade do processamento; a outra é a máquina de corte de fio de descarga eléctrica de baixa velocidade, onde o fio do elétrodo se move a baixa velocidade de forma unidirecional, geralmente, com uma velocidade de alimentação do fio inferior a, o fio do elétrodo não é reutilizado após a descarga, a operação é estável e uniforme, com pouca agitação, e a qualidade do processamento é melhor, mas a velocidade de processamento é menor.

Na produção de jóias, os padrões decorativos são frequentemente formados através do corte de arame, como mostra o exemplo do padrão de pingente de aço inoxidável na Figura 5-3.

1.2 Moldagem por estampagem (hidráulica)

O processo de moldagem por estampagem (hidráulica) é o principal método de produção de jóias em aço inoxidável e ligas. Este processo forma a maioria dos pingentes, brincos, pulseiras e outros acessórios no processo de estampagem.

(1) Introdução ao processo de estampagem

A estampagem é um método de processamento de conformação que utiliza uma prensa e moldes para aplicar uma força externa a chapas, tiras, tubos e perfis metálicos, provocando a sua deformação plástica ou separação. A forma da superfície do molde é claramente reproduzida, obtendo-se assim peças de trabalho (peças estampadas) com a forma e o tamanho desejados. Em comparação com a fundição por cera perdida tradicional, a estampagem pode produzir económica e repetidamente grandes quantidades do mesmo produto num curto espaço de tempo, e a superfície do produto é lisa, com uma qualidade estável, reduzindo consideravelmente a carga de trabalho dos processos subsequentes, melhorando a eficiência da produção e reduzindo os custos de produção. Por conseguinte, a estampagem tem recebido cada vez mais atenção na indústria de fabrico de jóias, e a sua aplicação está a tornar-se mais generalizada.

(2) Caraterísticas e aplicabilidade dos acessórios estampados

Os acessórios de estampagem têm as seguintes caraterísticas

(Em comparação com as jóias de fundição de investimento, as peças estampadas têm as caraterísticas de serem finas, uniformes, leves e fortes, e a utilização de métodos de estampagem pode reduzir muito a espessura da parede da peça de trabalho.
A estampagem produz jóias com menos orifícios, melhor qualidade de superfície, melhor qualidade e menor taxa de defeitos.
Durante a produção em massa, a estampagem tem uma elevada eficiência de produção, boas condições de trabalho e baixos custos de produção.
Quando a precisão do molde é elevada, a precisão dos acessórios estampados é elevada e a repetibilidade é boa, com especificações consistentes, reduzindo consideravelmente a carga de trabalho de corte, retificação e polimento.
A estampagem pode atingir um grau mais elevado de mecanização e automatização.

No entanto, para que o processo de estampagem possa produzir acessórios, é necessário ter em conta as seguintes condições

Em primeiro lugar, a estrutura das jóias deve ter uma boa processabilidade de estampagem, sendo preferível evitar pequenos orifícios, ranhuras estreitas e estruturas com ângulos ou fundos ocos que não possam ser estampados. Deve ser concebido um ângulo de projeto. A forma das peças estampadas deve ser tão simétrica quanto possível para evitar problemas como a concentração de tensões, a carga excêntrica e o desgaste irregular do molde. A espessura da joia não deve ser demasiado grande e a diferença de espessura da parede não deve ser demasiado grande.

Em segundo lugar, os acessórios devem ter um volume de produção considerável. Devido ao processo de estampagem, têm de ser feitos moldes especiais, o que demora muito tempo e tem custos de molde elevados. Por conseguinte, quando o volume de produção é pequeno, o custo de produção não é vantajoso.

Em terceiro lugar, a resistência do aço inoxidável e das ligas de titânio é relativamente elevada, o que exige um bom desempenho do fluxo do material na cavidade durante o processo de extrusão, especialmente nas arestas, cantos e cristas, onde é necessário preencher completamente sem causar defeitos graves, tais como cantos, arestas ou cristas desmoronados. É necessário um maior impacto ou pressão, pelo que a máquina de estampagem selecionada deve ter força suficiente e o material do molde deve ter uma resistência adequada, com dimensões precisas para os pontos e superfícies de apoio e posicionamento para a estampagem.

(3) O principal processo de estampagem de acessórios

① Analisar a processabilidade de peças estampadas. O desenho da peça do produto é uma base importante para a formulação dos planos do processo de estampagem e do projeto do molde. A formulação de planos de processo de estampagem deve começar a partir do desenho da peça do produto. A análise do desenho da peça inclui aspectos técnicos e económicos: a análise económica do processamento de estampagem, que analisa os custos do produto com base no programa de produção de peças estampadas, esclarecendo os benefícios económicos que podem ser alcançados através da adoção da produção de estampagem; a análise da processabilidade das peças estampadas refere-se ao nível de dificuldade do processamento de estampagem para a peça. De um ponto de vista técnico, analisa principalmente se as caraterísticas de forma, tamanho, requisitos de precisão e propriedades do material da peça cumprem os requisitos do processo de estampagem. Se for detectada uma fraca processabilidade, é necessário propor sugestões de modificação para o produto da peça estampada, que só podem ser alteradas com o consentimento do projetista do produto.

② Determinar o plano do processo de conformação para as peças estampadas. Depois de analisar a processabilidade das peças estampadas, são normalmente desenvolvidos vários planos de processos de estampagem com base na análise da natureza dos processos, do número de processos, da sequência de processos e dos métodos de combinação. É efectuada uma análise e comparação exaustiva de vários aspectos, incluindo a qualidade do produto, a eficiência da produção, a ocupação do equipamento, a dificuldade de fabrico do molde e a vida útil do molde, os custos do processo e a conveniência e segurança da operação, para determinar o plano de processo mais económico e razoável adequado às condições de produção específicas da fábrica.

Em seguida, com base no plano global de conformação das peças determinadas, determinar e conceber o plano de processo para cada operação de estampagem. Isto inclui os métodos de processamento para completar a conformação de cada operação, os principais parâmetros do processo para cada operação, os cálculos necessários do processo de conformação com base nos limites de conformação de cada operação de estampagem, a determinação da força de conformação para cada operação, o cálculo das quotas de consumo de materiais, energia e horas de trabalho para cada operação; o cálculo e a determinação da forma e das dimensões de cada peça da operação e o desenho dos diagramas do processo para cada operação.

③ Determinar a forma estrutural da matriz de estampagem. A matriz de estampagem é um equipamento de processo especial que transforma materiais em peças (ou produtos semi-acabados) e é uma peça essencial do equipamento para a produção de estampagem. A qualidade das peças estampadas, a eficiência da produção e os custos de produção estão diretamente relacionados com a conceção e o fabrico da matriz. O nível de tecnologia na conceção e fabrico de ferramentas é um dos indicadores importantes do nível de fabrico de produtos de um país e determina em grande medida a qualidade, a eficiência e as capacidades de desenvolvimento de novos produtos.

Existem muitas formas de moldes de estampagem, que podem geralmente ser classificadas de acordo com as duas caraterísticas principais seguintes.

a. Classificados de acordo com a natureza do processo, como se segue.

Molde de perfuração: Um molde que separa o material ao longo de linhas de contorno fechadas ou abertas. Tal como a matriz de corte, a matriz de perfuração, a matriz de corte, a matriz de entalhe, a matriz de corte e a matriz de divisão.

Molde de quinagem: Um molde que faz com que a peça em bruto ou outras matérias-primas sofram uma deformação por flexão ao longo de uma linha reta (linha de flexão) para obter uma peça de trabalho com um determinado ângulo e forma.

As matrizes de estampagem profunda são moldes que transformam uma chapa metálica em bruto numa peça oca aberta ou que alteram ainda mais a forma e o tamanho da peça oca.

As matrizes de moldagem: São moldes que copiam diretamente a forma dos moldes convexos e côncavos de acordo com o desenho, utilizando uma peça em bruto ou semi-acabada. O material em si apenas sofre uma deformação plástica local, como moldes de expansão, moldes de estrangulamento, moldes de alargamento, moldes de formação ondulada, moldes de flangeamento, moldes de moldagem, etc.

b. Classificados de acordo com o grau de combinação de processos, como se segue.

Matriz de processo único: Uma matriz completa apenas um processo de estampagem num único curso de prensa.

Matriz composta: Uma matriz com apenas uma estação que completa dois ou mais processos de estampagem simultaneamente na mesma estação durante um curso da prensa.

Matriz progressiva (também conhecida como matriz contínua): Uma matriz com duas ou mais estações na direção da alimentação da peça em bruto, completando dois ou mais processos de estampagem em estações diferentes num único curso de prensa.

As matrizes de estampagem para acessórios são geralmente constituídas por dois tipos de componentes. O primeiro tipo é constituído por peças de processo, que participam diretamente na conclusão do processo e têm contacto direto com as matérias-primas, incluindo peças de trabalho, peças de posicionamento, peças de descarga e prensagem, etc.; o segundo tipo é constituído por peças estruturais, que não participam diretamente na conclusão do processo e não têm contacto direto com as matérias-primas, mas servem para assegurar a conclusão do processo ou melhorar a funcionalidade da matriz, incluindo peças de orientação, peças de fixação, peças normalizadas e outros componentes. O processo de fabrico da matriz de estampagem é mostrado na Figura 5-4.

④ Escolher o equipamento de estampagem. O tipo de equipamento de estampagem selecionado baseia-se principalmente na natureza da estampagem a realizar, no volume de produção, nas dimensões das peças estampadas e nos requisitos de precisão; a principal base para a seleção dos parâmetros técnicos do equipamento são as dimensões das peças estampadas, a magnitude da força de deformação e a dimensão dos moldes.

⑤ Escrever documentos do processo de carimbagem. Para organizar e implementar cientificamente a produção, refletir com precisão os requisitos técnicos determinados na conceção do processo durante a produção e garantir o bom andamento do processo de produção, é necessário preparar documentos de processo detalhados com base em diferentes tipos de produção, geralmente apresentados sob a forma de um fluxo de processo. O conteúdo inclui o nome do processo, o número de processos, os esboços do processo (forma e tamanho dos produtos semi-acabados), os moldes utilizados, o equipamento selecionado, os requisitos de inspeção do processo, as especificações e o desempenho dos materiais em folha e a forma e o tamanho das peças em bruto.

⑥ Produção de jóias por estampagem. Moldar o material utilizando equipamento de estampagem de acordo com os parâmetros estabelecidos para o processo de estampagem.

(4) Medidas para melhorar a qualidade da secção transversal das peças estampadas

O processo de estampagem de acessórios pode ser classificado em duas categorias principais com base na tecnologia: processos de conformação e processos de separação. O objetivo do processo de conformação é fazer com que a chapa sofra uma deformação plástica sem quebrar os blanks, criando peças com a forma e o tamanho desejados. O processo de separação, também conhecido como blanking, tem como objetivo separar as peças estampadas do material em folha ao longo de uma linha de contorno específica, assegurando os requisitos de qualidade da superfície de separação. A qualidade da superfície de corte depende das condições de corte e das propriedades do próprio material, tais como a folga e a forma da aresta, a nitidez da aresta, a força de corte, as condições de lubrificação, a qualidade do material da folha, o desempenho, etc. A produção de estampagem exige que as peças cortadas tenham uma banda brilhante maior e minimizem a largura da área da banda de fratura. Isto depende fundamentalmente da adoção de medidas para aumentar a deformação plástica e atrasar a ocorrência de fissuras de corte. Por exemplo, reduzir a folga de corte, utilizar uma placa de pressão para comprimir a tira na superfície da matriz, aplicar pressão inversa à tira sob o punção com uma placa superior, selecionar razoavelmente a sobreposição, prestar atenção à lubrificação, etc. Além disso, durante o corte, devem ser feitos esforços para minimizar o ângulo de colapso, as rebarbas e a deformação. Para tal, é necessário adotar, tanto quanto possível, o valor limite inferior de folgas razoáveis. A borda do molde pode ser mantida afiada, e o valor da borda pode ser razoavelmente selecionado. Podem ser utilizadas medidas como placas de pressão e placas ejectoras.

2. Processo de fundição por cera perdida

A fundição por cera perdida é o principal método para jóias de metais preciosos, mas apenas um pequeno número de produtos de joalharia em aço inoxidável e ligas de titânio utiliza este processo. Estes produtos têm geralmente formas mais complexas, o que os torna inadequados para os processos de estampagem. As razões para tal estão relacionadas com os elevados pontos de fusão do aço inoxidável e das ligas de titânio e a elevada reatividade das ligas de titânio.

2.1 Fundição e conformação de aço inoxidável

O ponto de fusão do aço inoxidável 304 é 1454 ℃, e o ponto de fusão do aço inoxidável 316 é 1398 ℃. Esta temperatura excede em muito os limites que os moldes de gesso podem suportar. Portanto, as jóias de aço inoxidável devem ser fundidas usando pó de fundição ligado a ácido, o que aumenta significativamente os custos de produção.

(1) Pó de fundição para jóias de aço inoxidável

Devido à elevada temperatura de fundição do aço inoxidável, o pó de fundição não pode utilizar gesso como aglutinante e deve utilizar pó de fundição com maior refractariedade. Tal como o pó de fundição de gesso, o pó de fundição utilizado para jóias de aço inoxidável também é composto por um aglutinante e um material de enchimento. O material de enchimento é normalmente quartzo e feldspato, com uma quantidade total de aproximadamente 80%. O ácido fosfórico foi inicialmente muito utilizado como aglutinante, mas atualmente o fosfato de metenamina é preferido. É um pó seco que pode ser facilmente adicionado à mistura de pó, utilizando a reação química do sistema aglutinante para solidificar o pó de fundição, como se segue:

NH₄H₂PO₄ + MgO +5H₂O→ NH₄MgPO₄-6H₂O

Toda a reação do ácido fosfórico é muito complexa. Quando a quantidade de MgO necessária para a reação do ácido metilfosfónico é quimicamente igual, muitas vezes é necessário um excesso de MgO, formando assim um NH₄MgPO₄-6H₂O coloide que envolve o enchimento e o excesso de MgO. Durante a torrefação, a temperatura atinge 1000 ℃, e o molde sofre uma reação térmica, resultando em Mg₂P₂O₇ nos produtos finais de carga cristalina, excesso de MgO e SiO₂ enchimento.

Usando pó de fundição ligado a fosfato, a resistência geral do pó de fundição é muito maior do que a do pó de fundição de gesso, a superfície da cavidade do molde é mais lisa e mais fina, e o acabamento da superfície das peças fundidas é maior. No entanto, a resistência residual do molde também é maior, tornando um pouco difícil a remoção das peças fundidas do molde.

(2) O processo de fundição de jóias de aço inoxidável

As jóias de aço inoxidável podem ser produzidas utilizando métodos de fundição centrífuga, fundição por sucção a vácuo ou métodos de fundição por pressão a vácuo. O processo de fundição envolve muitos procedimentos (Figura 5-5).

2.2 Fundição e conformação de ligas de titânio

Devido ao ponto de fusão muito elevado das ligas de titânio e à sua natureza altamente reactiva, reagem rapidamente com o oxigénio, o azoto, o hidrogénio e o carbono no estado líquido e quase reagem com a maioria dos materiais refractários durante a fundição. Por conseguinte, a fundição de ligas de titânio é um desafio global. Como jóias de liga de titânio, a grande maioria é processada mecanicamente. Para o método de conformação, a tecnologia de fundição de precisão é utilizada para produtos com formas estruturais mais complexas. Devido às propriedades físicas e químicas do sódio, o processo de fundição de ligas de titânio tem requisitos e caraterísticas únicas tanto para os materiais de moldagem como para os métodos de processo. Em primeiro lugar, os materiais de moldagem devem ter uma refractariedade muito elevada; em segundo lugar, o vazamento deve ser efectuado sob alto vácuo ou proteção de gás inerte e, por vezes, também é necessária força centrífuga.

(1) Os requisitos da fundição de liga de titânio para fusão

Devido à elevada reatividade da liga de titânio líquido, a sua fusão deve ser efectuada sob um vácuo mais elevado ou protegida por gases inertes (árgon ou hélio). Os cadinhos utilizados para a fusão são todos de cobre arrefecidos a água, com três processos de fusão.

① Fundição em forno de arco de eléctrodos não consumíveis sob vácuo. A fundição de ligas é efectuada sob vácuo ou sob proteção de gás inerte. Este processo prepara principalmente a fundição de eléctrodos consumíveis, caracterizada pela fusão a alta temperatura e a alta velocidade. O forno de arco de eléctrodos não consumíveis a vácuo mantém a estabilidade do arco após a aspiração e o enchimento com gás inerte, evitando a volatilização de metais difíceis de fundir, especialmente metais reactivos, estabilizando assim a composição do metal para efeitos de refinação.

② Fundição em forno de arco de elétrodo de auto-consumo em vácuo. Utiliza eléctrodos de autoconsumo feitos de titânio ou de ligas de titânio como cátodo e um cadinho de cobre arrefecido a água como ânodo. O elétrodo fundido entra no cadinho sob a forma de gotículas, formando uma poça de fusão. A superfície da poça de fusão é aquecida pelo arco, permanecendo sempre no estado líquido. Ao mesmo tempo, o fundo e a área circundante em contacto com o cadinho são sujeitos a um arrefecimento forçado, resultando na cristalização de baixo para cima. O metal líquido na poça de fusão solidifica para se transformar em lingotes de titânio.

③ Forno de fusão de eléctrodos de auto-consumo em vácuo. Este tipo de forno foi desenvolvido com base no forno de arco de elétrodo de auto-consumo a vácuo, que integra fusão e fundição centrífuga para peças fundidas irregulares. A sua principal caraterística é uma camada de invólucro sólido de liga de titânio entre o cadinho de cobre arrefecido a água e o metal fundido, conhecido como invólucro. Este invólucro, feito do mesmo material, serve de revestimento interno do cadinho para formar uma piscina de fusão para armazenar o líquido de titânio, evitando a contaminação do líquido de liga de titânio pelo cadinho. Após o vazamento, a camada de casca deixada no cadinho pode ser reutilizada como revestimento interno do cadinho.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento da tecnologia e as necessidades de produção, têm sido sucessivamente investigados e desenvolvidos novos métodos e equipamentos para a fundição de ligas de titânio e outros metais reactivos, incluindo principalmente fornos de feixe de electrões, fornos de plasma e fornos de indução a vácuo, que atingiram um certo grau de aplicação. No entanto, no que diz respeito aos indicadores técnicos e económicos, tais como o consumo de energia, a velocidade de fusão e a comparação de custos, os fornos de arco de eléctrodos autoconsumíveis (incluindo os fornos de concha) continuam a ser o método de fundição mais económico e adequado.

Para a produção de jóias, a quantidade de fusão é geralmente pequena, e os requisitos de qualidade da superfície são elevados. Portanto, o equipamento de fundição dentária pode geralmente ser usado. A Figura 5-6 mostra uma máquina de fundição de titânio dentário que pode ser usada para fundir jóias de titânio. Esta máquina de fundição de titânio integra pressurização, sucção e centrifugação, é compacta, fácil de operar, não requer um espaço dedicado e utiliza o armazenamento de energia do volante e o aumento momentâneo da força do dispositivo e a rápida aceleração do fluxo para injetar o líquido fundido de titânio nos detalhes finos da cavidade do molde, resultando numa maior taxa de sucesso para as peças fundidas. As pequenas câmaras de fusão e de fundição permitem uma rápida extração de vácuo, reduzem o consumo de gás árgon, minimizam o ar residual e asseguram fundições de titânio de qualidade relativamente boa.

(2) Requisitos para materiais de fundição na fundição de ligas de titânio

O titânio e as suas ligas são metais altamente reactivos quimicamente que, no estado fundido, quase reagem com todos os materiais refractários para formar compostos frágeis, aumentando consideravelmente a dificuldade de fundir e fundir ligas de titânio.

① Existem três tipos de moldes para a fundição de ligas de titânio.

Moldes permanentes incluem principalmente moldes de grafite processada e moldes de metal (moldes de ferro e titânio). Os moldes são todos processados mecanicamente. As peças fundidas produzidas têm estruturas relativamente simples e menor precisão dimensional; são geralmente utilizadas para produzir peças brutas.
Moldes descartáveis: Podem produzir peças fundidas com formas relativamente complexas e elevada precisão dimensional. De acordo com os seus métodos de moldagem, existem dois tipos: moldes de areia de grafite compactada e moldes de espuma perdida. Estes últimos podem fabricar peças fundidas mais complexas (espessura de parede de 2 mm) com elevada precisão dimensional e baixa rugosidade superficial (Ra3.2). De acordo com os diferentes materiais da casca do molde, a casca do molde de espuma perdida é dividida em três sistemas diferentes: o sistema de casca de molde de grafite pura. Ele usa pó de grafite de diferentes tamanhos de partículas como enchimentos refratários e materiais de pulverização de areia, com resina como aglutinante. O invólucro do molde tem alta resistência, leveza, baixo custo e uma ampla gama de fontes de matéria-prima, tornando-o adequado para fundição centrífuga ou por gravidade. O segundo é o sistema de revestimento de molde de camada superficial de metal refratário. Este é um sistema composto, onde a camada superficial requer processos especiais devido aos diferentes materiais de moldagem (como pó de alumínio e outros metais refratários), enquanto a camada traseira é a mesma que a fundição de espuma perdida de aço fundido em termos de materiais de moldagem e processos de fabricação de conchas. O terceiro é o sistema de casca de molde de cerâmica de óxido. A superfície do molde e as camadas posteriores são feitas de óxidos como materiais de moldagem, resultando numa elevada resistência do molde e na mais baixa condutividade térmica entre os três tipos de moldes, tornando-o adequado para a fundição de formas complexas de paredes finas. As peças fundidas de titânio vazadas utilizando os três tipos de invólucros acima referidos diferem pouco na composição química e nas propriedades mecânicas; no entanto, existe uma diferença significativa na qualidade da superfície, sendo a taxa de contração dos dois últimos tipos de invólucros significativamente inferior à do invólucro de grafite, o que resulta numa elevada precisão dimensional das peças fundidas.

Fundição incorporada: A fundição embutida é usada principalmente na fundição de jóias de liga de titânio. É muito semelhante às conchas de cerâmica de óxido, exceto que não são utilizadas conchas em camadas e o método de revestimento é aplicado diretamente.

② Requisitos para materiais de incorporação em jóias de titânio fundido. A taxa de contração linear do titânio durante a fundição de titânio puro é de 1,8%~2,0%. Para obter uma boa precisão dimensional, o material de incorporação deve proporcionar uma expansão suficiente para compensar a contração da fundição de sódio. As condições para a seleção de materiais de incorporação para a fundição de titânio devem incluir o seguinte: reação mínima com o titânio, capacidade de obter uma boa forma de superfície, ausência de contaminação das peças fundidas, expansão moderada para compensar a contração do titânio e resistência suficiente.

Os materiais de incorporação de titânio fundido podem ser divididos em três categorias com base em diferentes métodos de expansão: materiais de incorporação que se expandem devido ao endurecimento e à deformação térmica do silício, materiais de incorporação que se expandem devido à oxidação do pó metálico de zircónio (Zr) e materiais de incorporação que se expandem devido à formação de espinélio (MgO, Al₂O₃), incluindo materiais de incrustação compostos principalmente por materiais refractários, tais como óxido de silício, óxido de alumínio, óxido de magnésio, óxido de cálcio e óxido de zircónio.

A atual expansão do material de incorporação baseia-se principalmente no SiO₂ que sofre uma transformação alotrópica quando aquecido, acompanhada por uma expansão significativa do volume, o que determina a posição especial do SiO₂ entre os materiais de incorporação. No entanto, o titânio fundido pode reagir quimicamente com ele, afectando gravemente a qualidade das peças fundidas de titânio. Para resolver este problema, uma certa proporção de ZrO₂. É um material inerte resistente a altas temperaturas adicionado ao material de incorporação de titânio de fundição atualmente ideal, uma vez que não reage quimicamente com o titânio fundido a altas temperaturas. As peças fundidas feitas com ZrO₂-Os materiais de incorporação à base de ácido sulfúrico têm menos contaminação sob a superfície e não aderem à areia, resultando em peças fundidas com um brilho metálico, mas com um coeficiente de expansão menor, o que pode afetar a precisão dimensional das peças fundidas.

O efeito de limpeza do metal fundido a alta temperatura é significativo durante o vazamento. Quando a resistência do material de incorporação é insuficiente, parte do pó do material de incorporação cairá e misturar-se-á com o líquido de titânio sob o efeito de limpeza do líquido de titânio, causando a deterioração da fluidez do líquido de titânio e impedindo-o de chegar ao fim da cavidade de fundição. Por conseguinte, o material de incorporação ideal para a fundição de titânio deve ter uma boa estabilidade e coeficiente de expansão e possuir uma certa resistência para suportar o impacto do líquido de titânio.

(3) Métodos de fundição para jóias de liga de titânio

A fundição de jóias em liga de titânio requer fontes de calor especiais, materiais de molde dedicados e equipamento para evitar a contaminação da superfície do titânio. Foram introduzidas no fabrico de jóias máquinas de fundição de titânio específicas para medicina dentária, com atmosferas de fusão protegidas por vácuo ou gases inertes (árgon ou hélio). Os métodos de fundição incluem a fundição sob pressão, a fundição sob vácuo e a fundição centrífuga. Devido à elevada temperatura de vazamento das ligas de titânio, à sua baixa densidade e fraca fluidez, é necessário completar o enchimento rapidamente, sendo o melhor método a fundição centrífuga a vácuo. As Figuras 5-7 e 5-8 exemplificam a fundição de jóias de liga de titânio.

(4) Problemas comuns na fundição de jóias de titânio

Os problemas comuns na fundição de jóias em liga de titânio são os cinco seguintes.

① O molde está incompleto. A incompletude da fundição está relacionada com os seguintes aspectos.

Máquina de fundição. O modelo da máquina de fundição está intimamente relacionado com o caudal de fundição, o nível de vácuo da máquina de fundição e o caudal do gás inerte.
Definição do canal de vazamento. Se o canal de vazamento for demasiado estreito ou demasiado longo, ou se a sua posição e quantidade forem inadequadas, pode afetar a integridade da peça fundida.
Regulação dos canais de ventilação. O titânio é protegido por gás inerte durante o processo de fusão, e o gás inerte também pode entrar na cavidade do molde. Quando o líquido de titânio derretido é injetado na cavidade do molde, o gás nas pequenas áreas da cavidade dificulta o fluxo do líquido de titânio, formando buracos de gás. Portanto, é necessário configurar cuidadosamente os canais de exaustão no molde de cera.
Temperatura de moldagem. Uma temperatura de moldagem elevada resulta em menos defeitos de fundição, mas a camada de contaminação da superfície das peças fundidas é espessa e as propriedades mecânicas são fracas. Reduzir a temperatura de moldagem pode diminuir a contaminação da superfície, mas leva a mais defeitos de fundição. Quando a temperatura de moldagem está entre 350 ~ 400 ℃, pode reduzir a contaminação e os defeitos de fundição.
Utilização de material de titânio. Quando o número de peças fundidas no molde é demasiado grande e a quantidade de material de titânio é insuficiente, é inevitável que ocorram peças fundidas incompletas.

② Porosidade interna das peças fundidas. O aparecimento de porosidade interna nas peças fundidas de titânio deve-se ao facto de os gases inertes e o ar residual serem arrastados para a cavidade do molde quando o sódio fundido é vertido na cavidade do molde. Quando o líquido de titânio é injetado na cavidade, forma-se imediatamente um invólucro, fazendo com que os gases arrastados não consigam sair, resultando em porosidade interna na peça fundida. A quantidade e o tipo de porosidade formada estão relacionados com o equipamento. A porosidade formada nos tipos pressurizado, de sucção e pressurizado (sem sucção) é dispersa. A porosidade formada nos tipos pressurizados (sem sucção) é menor do que nos tipos pressurizados com sucção. A porosidade nas máquinas de titânio de fundição centrífuga encontra-se maioritariamente na extremidade interior do corpo rotativo e a incidência de porosidade é significativamente inferior à dos tipos de sucção pressurizada e pressurizada.

A permeabilidade do material de incorporação também está relacionada com os poros. Materiais de incorporação com boa permeabilidade são usados para pressurização, e máquinas de fundição de titânio do tipo sucção podem produzir mais poros. A máquina de fundição centrífuga de titânio não está relacionada com a permeabilidade do material de incorporação. Além disso, o posicionamento do corredor e do duto de exaustão também tem uma certa relação.

③ Cavidades de contração. A formação de cavidades de contração no interior de peças fundidas de titânio é um problema difícil na tecnologia de fundição de titânio. O volume de titânio fundido encolhe em 1% durante a solidificação. Se o processo de fundição de titânio não for devidamente controlado e não for fornecida uma compensação suficiente, ocorrerão inevitavelmente cavidades de contração nas peças fundidas de titânio. As cavidades de retração nas jóias de titânio fundido situam-se principalmente na junção do jito e da peça fundida. O desenho do jito é a forma mais importante de controlar as cavidades de contração em peças fundidas de titânio, uma vez que regula a taxa, o fluxo e a integridade do metal fundido que entra na cavidade do molde. Factores como o tamanho, tipo, forma, posição e direção podem afetar a qualidade da peça fundida.

④ A superfície das peças fundidas de titânio é áspera. A rugosidade da superfície refere-se a uma superfície irregular com saliências ou marcas de fluxo. As causas podem incluir temperaturas de molde excessivamente elevadas, reacções de sinterização entre o material de incorporação e o líquido de sódio, quebra do molde, aderência da areia ou má qualidade do material de incorporação.

⑤ A camada de contaminação da superfície das peças fundidas de sódio é demasiado espessa. Muitos factores determinam a espessura da camada de contaminação da superfície das peças fundidas de titânio, incluindo o tipo de fluxo, a temperatura do molde, o nível de vácuo do equipamento e a pureza dos gases inertes. Entre eles, o tipo de fluxo tem a seguinte influência geral na espessura da camada de contaminação: o fluxo à base de zircónio tem a camada mais fina, seguido pelos fluxos à base de alumina, magnésia e fosfato, por ordem crescente de espessura da camada de contaminação.

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O que torna o aço inoxidável e a liga de titânio ideais para jóias? Informações sobre a produção e tendências do mercado

O que torna o aço inoxidável e a liga de titânio ideais para jóias? Informações sobre a produção e tendências do mercado

Fabricação de jóias em aço inoxidável e titânio: Técnicas para Designers Modernos

Índice

Secção I Produtos e processos de produção de aço inoxidável

1. Introdução ao aço inoxidável

1.1 Definição de aço inoxidável

1.2 Elementos de liga comuns do aço inoxidável

1.3 Classificação do aço inoxidável

2. Acessórios em aço inoxidável

2.1 Requisitos para os materiais das jóias de aço inoxidável

2.2 O principal material de aço inoxidável para jóias

3. Caraterísticas das jóias de aço inoxidável

4. Categorias de jóias de aço inoxidável

Secção II Produtos de ligas de titânio

1. Introdução às ligas de titânio

2. Liga de titânio decorativa

3. Caraterísticas das jóias em liga de titânio

4. Categorias de Jóias em Liga de Titânio

5. A situação do mercado das jóias de titânio

Secção III Processo de conformação de produtos de aço inoxidável e de ligas de titânio

1. Processo de conformação mecânica

1.1 Maquinação e conformação

1.2 Moldagem por estampagem (hidráulica)

2. Processo de fundição por cera perdida

2.1 Fundição e conformação de aço inoxidável

2.2 Fundição e conformação de ligas de titânio

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