Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS PARTE 21 LIGAS METÁLICAS. Ligas Não Ferrosas Alumínio

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1 PARTE 21 LIGAS METÁLICAS Ligas Não Ferrosas Alumínio

2 LIGAS NÃO FERROSAS NORMAS MAIS UTILIZADAS UNS (Unified Numbering System). A normalização unificada é uma norma mais recente que vem sendo utilizada com freqüência cada vez maior. AA (The Aluminium Assotiation) ASTM (American Society of Testing and Materials) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). 2

3 LIGAS NÃO FERROSAS Porque Utilizar estas Ligas? Apesar da versatilidade nas propriedades das ligas ferrosas, facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam limitações como: alta densidade, maior susceptibilidade a corrosão e outros. Diversificação existem ligas de uma enorme variedade de metais como: Cu, Al, Mg, Ti, refratários, super ligas, metais preciosos e outros. 3

4 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS O Alumínio (CFC) tem baixa densidade (2,7g/cm 3, 1/3 da densidade de aço). Terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre depois do O e do Si. Obtenção: produção primária através da Bauxita. Produção primária do Al: Al 2 O 3 (ponto de fusão: 2045ºC) e produção secundária a partir de sucata. Resistente à corrosão formação de uma película estável e homogênea de Al 2 O 3. T fusão 660 C e T ebulição 1850 C. A resistência mecânica pode ser aumentada através de ligas com Cu, Mg, Si, Mn e Zn e outros. Possui alta ductilidade. Excelente trabalhabilidade. Fonte: alumínio.php, rio.br/cursos/cemat, aulas Profa. Andréa Bernardes 4

5 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Mina de extração de bauxita da Companhia Brasileira de Alumínio (CBA), do Grupo Votorantim na cidade de Miraí - Minas Gerais Fonte: Profa. Andréa Bernardes DEMAT - UFRGS 5

6 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO Produção Primária Bauxita: 50 a 70% de Al 2 O 3, 0 a 25% de Fe 2 O 3 ; 12 a 40% de H 2 O, 2 a 30% de SiO 2 além de TiO 2, V 2 O 3 ; Al 2 O 3 (alumina) é separado dos demais utilizando NaOH (soda cáustica) a quente. O Al 2 O 3 dissolve se sendo separado por decantação; Al 2 O 3 : óxido muito estável; Ponto de fusão: 2045 C; Redução do Al 2 O 3 com CO: exige temperaturas acima de 2000ºC com formação de carbetos indesejáveis; Redução do Al 2 O 3 através de Eletrólise e Fusão em Sais: temperaturas próximas a 1000ºC e formação de perfluorcarbonos tetrafluormetano (CF 4 ) e o hexafluoretano (C 2 F 6 ) gases do efeito estufa. 6 Fonte: Profa. Andréa Bernardes DEMAT - UFRGS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS

7 FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO Produção Primária A produção do alumínio metálico, a partir da bauxita purificada, é feita através de eletrólise do Al 2 O 3 dissolvido em criolita (Na 2 AlF 3 ), à temperatura de C, em uma cela de aço. O alumínio produzido vai para o fundo da cela e é removido periodicamente. Fonte: Profa. Andréa Bernardes DEMAT UFRGS e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde 7

8 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO A produção do alumínio secundário (reciclagem) evita a extração da bauxita, pois para cada 1 tonelada de alumínio reaproveitado, deixa se de retirar do solo 5 toneladas do minério. Outra grande vantagem é que se gasta apenas 750 kwh, enquanto que a mesma quantidade com o uso do alumínio primário, gasta kwh, o que representa uma economia de energia 95% de energia, seu principal insumo para produção. Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Fonte: Profa. Andréa Bernardes DEMAT UFRGS e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde 8

9 FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO Produção Secundária Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Fluxograma para Reciclagem de Latas de Alumínio 9 Fonte: Revista Escola de Minas e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde

10 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Não é ferromagnético. Alto índice de reciclagem. Custo competitivo ainda é 2 ½ mais caro que o aço. Excelente aspecto estético. Condutividade térmica e elétrica aproximadamente metade do Cu. Ex. condutividade térmica do Cu C11000 (eletrolítico) = 388W/m K e o Al 1100 (recozido) = 222W/m K. Principal componente da Anodização processo eletrolítico que promove a formação de uma camada de óxido na superfície do metal. Resistência à tração máxima (σ TM ): Al puro comercialmente puro: 6 a 9 kgf/mm 2. Ligas Al pode chegar a 57 kgf/mm 2 (572MPa). Fonte: aulas Profa. Andréa Bernardes

11 ANODIZAÇÃO Este processo eletrolítico promove a formação de uma camada controlada e uniforme de óxido na superfície do metal. O Al é um ex. muito comum de anodização que ocorre por conversão do Al em Al 2 O 3 (película fina, resistente, impermeável e homogênea). Eletrólitos usados: Solução aquosa de ácido sulfúrico Solução aquosa de ácido oxálico Solução aquosa de ácido crômico Ânodo: própria peça Cátodo: qualquer outro metal Al Al 2 O 3 H 2 SO 4 20% Fe Há reação do Al com o eletrólito e conseqüente formação da camada de óxido protetora. Com a formação da camada, há o aumento da resistência à corrosão e o aumento da resistência mecânica superficial.

12 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS A qualidade das soldas de Al e suas ligas quando envolvem processos de fusão é afetada por formar grão de grosseiros típicos de estruturas brutas de fusão utilizada preferencialmente a soldagem MIG (Metal Inert Gas) e TIG (tungsten inert gas). Preferível a utilização de processos que não envolvam fusão como soldas a fricção. Ex. friction stir welding (FSW) solda por fricção e mistura mecânica. Novas ligas com Al, Mg e Ti tem aplicação na indústria automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução do peso. De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu cerca de 16% devido à redução de 29% do uso de aços, ao aumento de 63% no uso de ligas de Al e de 33% no uso de polímeros e compósitos. Fonte: Apostila Plínio 12

13 SOLDAGEM MIG E FSW Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS MIG/TIG FSW 13

14 LIGAS NÃO FERROSAS Classificação Processo de Fabricação: Ligas Trabalhadas por laminação, forjamento e outros processos. Ligas Fundidas Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Nomenclatura e Simbologia: De acordo com a AA (Aluminium Association) Ligas Trabalhadas XXXX Ligas Fundidas XXX.X 14

15 LIGAS NÃO FERROSAS Classificação Mecanismo de Endurecimento: Divididas em: Ligas termicamente tratáveis (TT) (séries 2XXX, 6XXX, 7XXX e a maioria da série 8XXX) podem endurecer por meio de tratamento térmico de solubilização e envelhecimento e Ligas endurecidas por trabalho a frio (séries 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX). Tipos de TT: F (como fabricado), O (recozido), W (solubilizado), T (termicamente tratado, dentre eles os mais importantes: T4 solubilizado e envelhecido naturalmente e o T6 solubilizado e envelhecido artificialmente. Fonte: rio.br/cursos/cemat Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS 15

16 LIGAS NÃO FERROSAS CLASSIFICAÇÃO Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga 1xxx Alumínio puro - 2xxx Cu Mg, Li 3xxx Mn Mg 4xxx Si - 5xxx Mg - 6xxx Mg, Si Cu 7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr, Sc 8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg - Fonte: rio.br/cursos/cemat 16

17 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Tratamentos Térmicos: Recozimento para alívio de tensões T( C) ~ C Recozimento para eliminar o encruamento Solubilização e Precipitação aumento de resistência por adição de elementos de liga (formação de solução sólida e/ou precipitação de fases). Ex. liga Al da série 2000 com 4% Cu em peso (1) aquecimento a 550 C para colocar todo o Cu em solução no Al; (2) resfriamento brusco em água ou óleo para manter o Cu em solução. Ou seja, não deve se tocar o cotovelo da curva C para obtenção de uma solução sólida supersaturada de Cu a temperatura ambiente; (3) Executar os trabalhos mecânicos de projeto; (4) Tratamento de precipitação: envelhecimento natural ou artificial a uma temperatura de 150 C por 100 horas. A fase α ou Al ss se transformará na mistura em equilíbrio da fase α saturada com Cu + θ (CuAl 2 ). 17

18 LIGAS NÃO FERROSAS Onde: θ composto estequiométrico ~ 53%Cu e 47%Al Al ss + θ Fonte: Metals vol.3 18

19 LIGAS NÃO FERROSAS Fonte: Engenharia de Materiais vol.ii Ashby e Jones Diagrama TTT para a precipitação do CuAl 2 a partir da solução. As partículas de segunda fase θ são os precipitados coerentes com a matriz responsáveis pelo pico de resistência mecânica que coincide com o envelhecimento artificial da liga. As zonas de Guinier Preston (GP) não se formam acima de 180 C. As Zonas GP são concentrações de átomos de Cobre que também contribuem para o endurecimento da liga. 19

20 LIGAS NÃO FERROSAS Alteração do limite de resistência à tração da liga de Al + 4%Cu medido a temperatura ambiente a partir de diferentes tempos de envelhecimento a 150 C. Além do aumento no tamanho dos precipitados, há o aumento do espaçamento entre eles de 10nm para 1μm ou mais. Fonte: Engenharia de Materiais vol.ii Ashby e Jones 20

21 LIGAS NÃO FERROSAS Microestruturas a temperatura ambiente da liga de Al + 4%Cu. (a) Produzida por resfriamento lento a partir de 550 C precipitados grandes e espaçados. (b) Produzida por resfriamento moderado a partir de 550 C precipitados pequenos e juntos. Fonte: Engenharia de Materiais vol.ii Ashby e Jones 21

22 LIGAS NÃO FERROSAS A microestrutura lamelar no eutético de umaligaal Cu (33,2%Cu). A matriz é uma solução sólida rica em Al com átomos de Cu (clara) com lamelas (relevo) de uma segunda fase θ constituída de CuAl 2. 22

23 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Aplicação Ligas Trabalhadas a) Alumínio comercialmente puro (99,3%Al) + (Fe, Si, Cu e outros em pequenos teores) endurecível por encruamento. Usos: usadas para produtos de baixa resistência mecânica, como uso em panelas, perfis etc. A resistência a corrosão é menor do que o Al puro. b) Al Mn: Ex. 1,2% Mn + Al + impurezas resistência à corrosão aliada às propriedades mecânicas conferidas pela adição de Mn endurecível por encruamento. Usos: tanques para armazenagem de combustíveis. c) Al Mg Si Ex. AA6056 (Albal. + 0,71%Mg + 1,2%Si + 0,7%Cu + 0,66%Mn, adições de Zn, Fe, Cr e Ti) na condição T4 tem σ TM = 293MPa e σ y = 197MPa; na condição T6 tem σ TM = 299MPa e σ y = 218MPa. A liga 6061 (Albal. + 1%Mg, 0,6%Si, 0,3%Cu e 0,2%Cr na condição T4 tem σ TM = 240MPa e σ y = 145MPa. Usos em vagões de trem, caminhões, cascos de embarcações, mobília, aeronáutica e outros. d) Al Zn: Ex. 5,5%Zn, 2,5%Mg, 1,5%Cu + Cr + Mn + Al bal. apresentam a melhor resistência mecânica das ligas tratáveis termicamente. Ex. Al AA ,6%Zn, 2,5%Mg, 1,6%cu, 0,23%Cr + Al bal; T6; σ TM = 572MPa e σ y = 503MPa. Usado em fuselagem e peças de aeronaves e outros. 23

24 LIGAS NÃO FERROSAS Exemplo da relação estrutura, propriedades e processo de fabricação laminação, aplicada a uma barra de alumínio laminado 24

25 LIGAS NÃO FERROSAS Diagrama de equilíbrio pseudobinário das ligas Al Mg Si (série 6000). Mostra o campo monofásico alfa evidenciando que acima da linha solvus, o Mg e o Si dissolvem se na matriz do Al. Ex. para um teor de 1,0 % de Mg 2 Si, a 500 C os precipitados de Mg 2 Si são termodinamicamente instáveis e, com tempo suficiente, dissolvem se na matriz de alumínio. Quando é feito um resfriamento rápido em água, mantém se, à temperatura ambiente, a solução sólida supersaturada com Mg e Si dispersos na matriz de Al. 25

26 LIGAS NÃO FERROSAS Diagrama de transformação apresentando as curvas em C de 4 diferentes ligas de Al. O tempo indica que o resfriamento da liga AA7075 deve ocorrer em 3 segundos enquanto que o resfriamento da liga AA6063 pode ser em meios mais brandos (óleo). 26

27 LIGAS NÃO FERROSAS Aplicação Ligas Trabalhadas e) Al Cu: as ligas trabalháveis deste grupo tem o teor de Cu inferior a 5,7%. Uma das ligas mais conhecidas desta classe é o Duralumínio nome que vem da cidade de Düren Alemanha. O duralumínio 2017 é o mais antigo e um dos mais usados. Composição: 93,2 a 95,5% Al; 3,5 a 5,5% Cu; 0,5 a 0,8% Mg. A presença desses elementos de liga eleva a resistência mecânica de 9 kgf/mm 2 do Al comercialmente puro para 18,2 kgf/mm 2 do AA2017 no estado recozido. Após tratamento térmico de solubilização e precipitação atinge o valor de 43 kgf/mm 2. Na indústria aeronáutica a liga AA2017 é alterada para a liga AA2024 com composição química de 4,5%Cu, 0,6%Mn, 1,5% Mg + Al bal. Esta liga tratada termicamente apresenta melhor resistência mecânica e melhor limite de escoamento, permitindo redução de peso. As resistência à corrosão destas ligas sofre queda acentuada em função do aumento da resistência mecânica pela formação das partículas de segunda fase. Para evitar a corrosão intergranular, principalmente em atmosferas salinas, desenvolveu se os ALCLADS AA2017 e AA

28 LIGAS NÃO FERROSAS ALCLAD É um sanduíche de materiais onde uma chapa de duralumínio é revestida em ambas as faces por camadas de Al puro que, geralmente, compreende a 10% da seção transversal. Duralumínio Al puro O ALCLAD destas ligas de Al alia resistência a corrosão do Al puro a resistência mecânica do duralumínio. Este processo pode ser por laminação conjunta, soldagem e outros processos. 28

29 LIGAS NÃO FERROSAS Aplicação Ligas Fundidas Estas ligas, além das características das ligas trabalhadas, devem apresentar: Boa fluidez e fundibilidade; Baixa contração volumétrica; Baixa tendência à formação de trincas, tanto a quente quanto a frio; Principais ligas para fundição: Al Si, Al Cu, Al Cu Si, Al Mg Eutético de uma liga Al Si (12,6%Si). As ligas eutéticas e levemente hipereutéticas apresentam estrutura grosseira, dura e frágil ocorre devido à plaquetas de Si (cristais primários) que se formam no resfriamento lento. Al Al + Si Si + L 29

30 LIGAS NÃO FERROSAS Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS Aplicação Ligas Fundidas Tratamento de Modificação das Ligas de Al Si. Procedimento: Pouco antes do vazamento adicionar à liga agentes modificadores (mistura de fluoretos e cloretos metálicos alcalinos como Na e K ou alcalino terrosos como Mg, Ca, Ba). A adição destes agentes provoca o deslocamento do ponto eutético de 12,6%Si para 14%Si e um abaixamento da temperatura do eutético de 577 C para aproximadamente 562 C, resultando num refino na microestrutura (diminuição apreciável no tamanho das partículas de Si e seu arredondamento). Estes fatores combinados associados a uma boa dispersão das partículas de Si, promove o endurecimento e o aumento da resistência mecânica da liga de Al fundida sem perda significativa da ductilidade. B microestrutura acicular no eutético de uma liga Al Si (12,3%Si). A fase branca é a matriz de Al e a fase escura (acicular) é a fase de Si. 30