RECICLAGEM DO ALUMÍNIO UTILIZADO EM AULAS NO LabMat-FEI

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1 Projeto de iniciação científica RECICLAGEM DO ALUMÍNIO UTILIZADO EM AULAS NO LabMat-FEI Relatório Final Bolsista: Jonathas Alberto Ribeiro Abdou Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco Departamento de Engenharia Mecânica - FEI rodrmagn@fei.edu.br Data da entrega do relatório 19/12/2002 1

2 I.Objetivos Este projeto procura definir os procedimentos aplicados para a classificação de matérias primas e sucatas de alumínio no Laboratório de Materiais do Centro universitário da FEI, além de verificar a possibilidade de refusão e laminação a frio de ligas Al-Cu. Pretende-se também analisar o método de obtenção de corpos-de-prova de tração por fundição de ligas Al-Si, e indicar as açôes necessárias para obtê-los. 2

3 II.Revisão bibliográfica II.1.Introdução O início da produção industrial do alumínio e suas ligas é bastante recente. Em 1882 este metal ainda era uma raridade, com produção global de 2 t. Em 1900, a produção mundial de alumínio era de t, em 1916, pouco mais de t. Já em 1939, a produção atingiu t e alcançou, em 1943, a marca de quase 2 milhões de toneladas. Ao longo da década de 80, o consumo de alumínio cresceu de maneira mais acentuada que sua produção industrial. Para suprir a necessidade de alumínio, a reciclagem tornou-se algo indispensável. Isso, o crescimento no volume da sucata de alumínio e a mobilização mundial em prol da preservação das reservas naturais levou a um aumento significativo da indústria de reciclagem. Além disso, o processo de obtenção de alumínio secundário exige apenas 5% de energia gasta para obter alumínio primário.[1] No Brasil, a reciclagem do alumínio iniciou-se em 1991, e desde então, seu índice cresceu assustadoramente. Para que se tenha uma melhor idéia, só no ano de 2000, o Brasil reciclou 78% (vide figura.ii.1) das 10 bilhões de latas de alumínio produzidas. A coleta das latas é realizada por mais de 150 mil pessoas, movimentando mais de US$ 135 milhões por ano, levando a grande maioria viver hoje exclusivamente da coleta. Igualmente, a cadeia de reciclagem do alumínio (reciclagem, recuperação e transporte) também envolve um grande montante de empresas, aproximadamente cinco mil. O ciclo da lata de alumínio, entre a produção e o retorno aos centros de reciclagem, leva em média 42 dias, reduzindo o impacto sobre 3

4 Figura.II.1 - Extraído em 21/08/2002 [3] o meio ambiente.[2] Depois do ferro, o alumínio é o material mais utilizado na fabricação de peças. Este aumento se deve ao grande campo de aplicação deste metal, em virtude de suas características. O alumínio e suas ligas têm grande importância técnica devido à sua baixa densidade (2,6 a 2,8 g/cm³), elevada relação resistência/peso, elevada resistência à corrosão, endurecibilidade de muitas ligas e bom acabamento superficial.[1] Os maiores campos de sua aplicação são hoje a indústria de transportes (automóveis, aviões, vagões), construção civil, engenharia mecânica e eletrotécnica em geral, e a indústria de embalagens [2]. A usinagem das ligas trabalhadas oferece várias vantagens importantes, incluindo velocidade de corte quase ilimitada, baixas forças de corte, excelente acabamento, bom controle dimensional e longa vida da ferramenta.[1] 4

5 II.2. Obtenção do alumínio O método mais importante e rentável para a obtenção do alumínio é o processo Hall-Heroult (em homenagem à Charles Hall, de Ohio, e Paul Heroult, da França, que desenvolveram o processo em 1886), de eletrólise a partir de óxido de alumínio fundido. O óxido de alumínio é na maioria dos casos, obtido da bauxita (Figura.II.2) através do processo Bayer. Este é um método seletivo de extração e partição hidrometalúrgica muito eficiente. O principio do processo é a extração de hidróxido de alumínio da bauxita, num tratamento em autoclave com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a temperatura média de 160 C. A seguir, ocorre a separação de resíduos sólidos após o resfriamento da suspensão, a retirada de hidróxido de alumínio da solução, agora supersaturada, através da cristalização e devolução da solução de hidróxido de sódio após a separação do hidróxido cristalizado. O hidróxido obtido é transformado termicamente para óxido.[1,4,5] A obtenção do alumínio primário para metalurgia, pelo processo Hall-Heroult, trata da eletrólise do óxido de alumínio em temperaturas de 950 C a 980 C. O óxido de alumínio é dissolvido em criolita fundida, e através do emprego de um anodo dáse a decomposição química do óxido de alumínio. [1] II.3. Processamento das ligas de alumínio O alumínio metálico obtido na redução (alumínio primário) é carregado nos fornos de refusão no estado líquido ou sólido, e são adicionados elementos de liga (cobre, magnésio, silício, zinco, manganês, etc.), sucata selecionada e refinadores de grão, elaborando-se o que se domine liga. Esta é vazada na forma de lingotes, placas, 5

6 Figura.II.2 Transformação do Alumínio [1] 6

7 tarugos ou vergalhão Properzi, conforme a aplicação final do material. A partir desse ponto é possível fazer uma distinção entre ligas fundidas, cujos produtos finais são obtidos a partir do vazamento e solidificação do metal líquido em um molde com a forma da peça, e ligas trabalháveis, nas quais os produtos finais são obtidos pela transformação mecânica de um semi-acabado (placa, tarugo, vergalhão, ou barra).[1] Os processos de conformação mais comuns são a laminação, extrusão, forjamento, e trefilação[1]: Na laminação, uma placa com 300 a 400mm de espessura passa entre dois cilindros de aço rotativos, cuja abertura é menor que sua dimensão inicial, como ilustra a Figura.II.3.(a). Essa placa é reduzida na sua espessura (aumentando o seu comprimento) em uma seqüência de passes, podendo ser laminada à quente, por volta de 400 C, a partir da espessura da placa até 4 a 6 mm. A partir daí é feita a redução em temperatura ambiente, atingindo-se espessuras de até 0,2 mm na linha de laminação a frio. Na extrusão, um tarugo é aquecido a aproximadamente 500 C, carregado dentro do recipiente de uma prensa de grande capacidade (da ordem de milhares de toneladas-força) e forçando contra um disco de aço, no qual é cortada uma abertura com a forma do perfil, como pode-se ver na figura.ii.3(b). O metal escoa por essa abertura, o que gera uma peça de até 50m de comprimento, com a seção transversal do perfil. 7

8 (a) (b) Figura.II.3.(a) Ilustração do processo de conformação por laminação[6].(b) Ilustração do processo de conformação por extrusão[7]. 8

9 No forjamento, um bloco, tarugo ou perfil são aquecidos a aproximadamente 500 C e comprimidos contra uma matriz bipartida, na qual foi escavada a forma da peça em negativo, como segue na figura.ii.4.(a). O metal escoa, preenchendo a cavidade formada pelo ferramental, tomando a forma da peça, como mostra a figura.ii.4.(b). (a) (b) Figura.II.4.(a) Foto de uma prensa de ton[8]. (b) Pistões de alumínio forjados[8]. Na trefilação, o arame, vergalhão, tubo ou barra (produzidos por extrusão ou laminação) é tracionado a frio, passando por uma fieira, cuja abertura tem seção transversal menor do que da peça (vide figura.ii.5). Com isso conseguem-se arames ou tubos mais finos do que os que podem ser conseguidos por extrusão e com melhor precisão dimensional. 9

10 (a) (b) Figura.II.5.(a) Desenho esquemático da trefilação de arames[ 9]. (b) Foto de uma trefiladora [10] II.4. Classificação do alumínio e suas ligas As ligas de alumínio possuem, além do metal de base, muitos outros elementos considerados como componentes da liga ou como impurezas. Os principais são o cobre, silício, magnésio, zinco e manganês que determinam as características da liga. Adições de cromo, níquel, vanádio, boro, prata, chumbo, bismuto, zircônio e lítio conferem propriedades especiais às ligas básicas, como resistência à corrosão sob tensão, controle de recristalização ou usinabilidade. Outros elementos como ferro, 10

11 titânio, sódio, estrôncio e antimônio são considerados impurezas cuja presença deve ser controlada. Dependendo do grupo de ligas, um elemento que é considerado como benéfico em uma liga poderá ser deletério em outra, e vice-versa. [1] O alumínio e suas ligas são divididos basicamente em dois grupos: Ligas para tratamento mecânicoe ligas para fundição. II.4.1. Ligas para tratamento mecânico Estas ligas são aquelas que são sujeitas a deformação (trabalhado a quente ou a frio, em processos de extrusão, forjamento ou trefilação) a fim de transformar o lingote de alumínio na forma desejada.[11] Através da Aluminum Association (AA), estabeleceu-se um sistema numérico de 4 dígitos para designar ligas de alumínio trabalháveis, que é adotado praticamente no mundo todo, inclusive no Brasil. O primeiro dos 4 dígitos indica o grupo de elementos que determinam as características da liga, conforme está indicado na Tabela.II.1. [1] Tabela.II.1- Designação das Ligas de Alumínio Trabalháveis. Série 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx Componente Majoritário da Liga Alumínio Cobre Manganês Silício Magnésio Magnésio e Silício Magnésio e Zinco Outros 11

12 Suas principais características estão listadas abaixo: Série 1xxx. Alumínio com 99.00% ou mais de pureza com muitas aplicações, especialmente nos campos da elétrica e da química. É caracterizado pela excelente resistência à corrosão, alta condutividade térmica e elétrica, baixa resistência mecânica e excelente usinabilidade [11] Série 2xxx. O cobre é o principal elemento desta liga, tendo também o magnésio como um segundo adicional. Ela não tem tanta resistência corrosiva quanto as outras ligas. No entanto, as ligas 2xxx são usadas para rodas de caminhões e aeronaves e fuselagem de aeronaves.[11] Série 3xxx. O manganês é o componente majoritário desta liga. Ela pertence ao grupo de ligas não tratáveis termicamente, mas possui uma resistência mecânica em média 20% maior do que as ligas 1xxx, dada de sua porcentagem de manganês (por volta de 1.5%).[11] Série 4xxx. O silício é o principal elemento desta liga. A porcentagem de silício pode ser de até 12% causando queda no seu ponto de fusão. Por esta razão este tipo de liga é usado para soldas.[11] Série 5xxx. Tem o magnésio como componente majoritário. Possui boas características para solda, e boa resistência à corrosão, inclusive em atmosfera marítima. Devida a esta característica esta liga pode ser usada em casco de navios e barcos.[11] Série 6xxx. As ligas da série 6xxx possuem silício e magnésio aproximadamente nas proporções de formação de Mg 2 Si, o que a torna termicamente tratável. Ela não é tão resistente quanto as ligas 2xxx e 7xxx, 12

13 mas possui boa resistência à corrosão, média resistência mecânica e pode ser usada para soldas. [11] Série 7xxx. O zinco pode variar de 1 a 8%, já que é o componente principal da liga. Uma vez que é adicionada uma pequena porcentagem de magnésio, resulta a possibilidade de tratamento térmico, que promove uma melhor combinação de resistência mecânica, resistência à corrosão e tenacidade à fratura.[11] Série 8xxx. As ligas 8xxx possuem uma grande variedade de elementos em sua composição, mas freqüentemente caracteriza-se por possui de 2.4 à 2.8% de lítio. Tem como aplicação o desenvolvimento de estrutura de aviões e aeronaves espaciais.[11] II.4.2 Ligas para fundição As ligas de alumínio para fundição são as mais versáteis dentre todas as mais comuns ligas fundidas. Como materiais fundidos, as ligas de alumínio possuem as seguintes características favoráveis: [12] Boa fluidez para o preenchimento de seções finas. Estabilidade química. Baixo ponto de fusão em relação àqueles requeridos por muitos outros metais. Rápida transferência de calor do alumínio fundido para o molde, promovendo menores ciclos de fundição. 13

14 O hidrogênio é o único gás com apreciável solubilidade no alumínio e suas ligas, e a solubilidade do hidrogênio no alumínio pode ser facilmente controlada por métodos de processamento. Geralmente as ligas de alumínio fundidas são produzidas por molde para fundição sob pressão, areia seca e areia verde. Dificilmente as ligas de alumínio são fundidas à vácuo, baixa pressão e centrifugação.[12] A Aluminum Associationestabeleceu um sistema de três dígitos seguidos por um valor decimal. As ligas xxx.0 representam, em todos os casos, a composição química limite para fundição. As xxx.1 e as xxx.2 representam a composição química para lingotes. Muitas classificações da AA incluem uma letra como prefixo, referindose à porcentagem de impureza encontrada na liga. As famílias das ligas fundidas estão a seguir [12,13]: 1xx.x Liga com pureza de no mínimo 99,0% de alumínio.[13] 2xx.x Este tipo de liga possui o cobre como componente majoritário, mas outro componente da liga pode ser especificado.[13] 3xx.x São as ligas que possuem o silício como componente principal. No entanto, outros componentes, como o magnésio e o cobre, são especificados. A série 3xx.x representa aproximadamente 90% de todas as ligas fundidas produzidas.[12] 4xx.x Ligas em que o silício é o principal elemento.[12] 5xx.x Ligas que possuem o magnésio como componente principal.[12] 6xx.x Não são utilizadas comercialmente.[13] 14

15 7xx.x Este tipo de liga possui o zinco como componente principal. Geralmente há a adição de cobre, magnésio, cromo, manganês, ou combinação destes elementos na liga.[12] 8xx.x Possui o estanho como elemento principal da liga.[12] 9xx.x Não são utilizadas comercialmente.[13] As ligas de alumínio para fundição também são conhecidas como ligas de alumínio-silício, notação que diz respeito ao alto teor de silício, que pode chegar a até 23% nas ligas para fundição.[14] O alto teor de silício nas ligas de alumínio diminui o ponto de fusão, aumenta a resistência à corrosão e diminui a ductilidade. Por outro lado, estas ligas são de difícil usinagem, recomendando-se o uso de ferramentas de carbureto de tungstênio com grande ângulo de corte e trabalhando à baixa velocidade com fluídos refrigerantes e lubrificantes adequados.[14] II.5. Tratamentos térmicos e termomecânicos De um modo geral tratamentos térmicos e termomecânicos são uma condição ou estado produzido no metal ou liga por processos térmicos, ou mecânicos, e que produzem estruturas e propriedades mecânicas características. O sistema de nomenclatura de tratamentos térmicos se baseia em letras, e as subdivisões destas são indicadas por um ou mais números, que especificam as operações básicas que o material deve sofrer. As designações básicas são [1]: 15

16 F (como fabricadas) aplica-se a produtos laminados à frio, à quente ou sobre os quais não se exerce nenhum controle sobre suas condições de processo. Não há garantia de propriedades mecânicas. [1,15] O ( recozido ) aplica-se aos produtos que são recozidos para que sejam obtidos o máximo amolecimento e a máxima conformabilidade do material.[1] W (solubilizado) Têmpera instável aplicada somente em ligas que envelhecem naturalmente após a solubilização. Esta designação é específica somente quando o período do envelhecimento natural está indicado. Por exemplo: W 1/2h. [16] H (encruado) - Aplica-se às ligas não tratáveis termicamente, em que o aumento de resistência é obtido por deformação mecânica. Será sempre seguido por um ou mais dígitos.[1] T (tratados termicamente) aplicável as ligas tratáveis termicamente, gerando propriedades mecânicas estáveis diferentes de F ou O, podendo ou não ter encruamento adicional. Será sempre seguido de um ou mais dígitos. [1] Vale citar que todas as têmperas são aplicáveis às ligas fundidas, exceto a têmpera H, já que esta precisa de trabalho mecânico (encruamento) para ser realizada. As têmperas H e T apresentam subdivisões conforme mostrado a seguir. 16

17 II.5.1. Têmperas H O primeiro dígito que se segue a letra H indica combinação das seguintes operações básicas: H1x - Apenas Encruada. As propriedades mecânicas conseguidas exclusivamente por encruamento, sem nenhum tratamento suplementar. O dígito que segue H1 indica o grau de encruamento. [1,15] H2x Encruada e Recozida Parcialmente. As propriedades mecânicas são aumentadas mais do que o nível desejado e depois diminuídas por recozimento parcial. O dígito após H2, indica o grau de encruamento restante depois que o produto foi parcialmente recozido.[1,15] H3x Estabilizada Após Encruamento. Algumas ligas amolecem com o passar do tempo, após terem sido encruadas ( principalmente as do grupo 5xxx). Esse amolecimento pode ser acelerado e estabilizado por tratamento térmico após o encruamento. O dígito após H3, indica o grau de encruamento restante depois do produto ter sido estabilizado.[1,15] Grau de deformação aplicado ao material é especificado pelo segundo dígito após a letra H, que comumente é[1]: Hx2 ¼ duro Hx4 ½ duro Hx6 ¾ duro Hx8 duro (diz-se de um material que sofreu aproximadamente 75% de deformação a frio após ter sido plenamente recozido). 17

18 II.5.2. Têmperas T O T é sempre seguido de um ou mais dígitos. Um período de envelhecimento natural pode ocorrer entre ou após as operações listadas e o controle desse período é exercido quando é metalurgicamente importante. Números de 1 a 10 indicam seqüências específicas de tratamentos (um asterisco mostra quais são as têmperas mais aplicadas em produção)[1,16]: T1(*) - Resfriado de um processo de conformação a temperatura elevada e envelhecimento naturalmente a uma condição estável. Aplica-se a produtos que não foram trabalhados a frio depois de um resfriamento de uma elevada temperatura do processo de conformação.[16] T2 - Resfriado de um processo de conformação em temperatura elevada, encruado e envelhecido naturalmente a uma condição estável. Aplica-se à produtos trabalhados à frio a fim de aumentar a dureza depois de um resfriamento à uma elevada temperatura do processo de conformação.[16] T3(*) - Solubilizado, encruado e envelhecido naturalmente a uma condição estável. Aplica-se à produtos trabalhados à frio a fim de fornecer maior dureza ao material após tratamento térmico de solubilização.[16] T4(*) Solubilizado e envelhecido naturalmente a uma condição estável. Aplica-se à produtos que não foram trabalhados à frio depois de tratamento térmico de solubilização.[16] T5(*) Resfriado de um processo de conformação em temperatura elevada e envelhecido artificialmente. Aplica-se a produtos que não foram trabalhados à frio depois de um resfriamento de uma elevada temperatura do processo de 18

19 conformação, fundição ou extrusão e para aqueles que tiveram sua propriedades mecânicas substancialmente mudadas por precipitação em tratamento térmico.[15] T6(*) Solubilizado e envelhecido artificialmente. Aplica-se à produtos que não foram trabalhados à frio após tratamento térmico de solubilização.[16] T7 Solubilizado e estabilizado (superenvelhecido). Aplica-se a produtos que são estabilizados após tratamento térmico de solubilização a fim de levá-los além do ponto de máxima dureza a fim de promover o controle de algumas características especiais.[16] T8(*) Solubilizado, encruado e envelhecido artificialmente. Aplica-se à produtos trabalhados à frio a fim de fornecer maior dureza.[16] T9(*) Solubilizado, envelhecido artificialmente e encruado. Aplica-se à produtos trabalhados à frio a fim de fornecer maior dureza especialmente após de haverem sido precipitados por tratamento térmico.[15] T10 Resfriado de um processo de conformação em temperatura elevada, envelhecido artificialmente e encruado. Aplica-se à produtos trabalhados à frio a fim de fornecer maior dureza após um resfriamento de um processo de trabalho à quente.[15] Na norma ANSI H 35.1 poderão ser encontradas maiores informações sobre nomenclatura de têmperas. [1] 19