ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Ligas de alumínio conformadas 1 O alumínio metálico é obtido pela redução eletrolítica da alumina (Al 2 O 3 ) dissolvida em criolita líquida. O processo, chamado de Hall-Herolut foi desenvolvido em 1886 de maneira independente por Charles Hall (Estados Unidos) e Paul Heroult (França). As primeiras aplicações do alumínio foram objetos de decoração como molduras de espelhos, travessas e utensílios domésticos. Com o tempo, cresceu a diversidade das aplicações do alumínio, de maneira que, praticamente todos os aspectos da vida moderna são afetados diretamente ou indiretamente pelo seu uso. Recentemente os maiores mercados para as ligas de alumínio são 1 : embalagens para alimentos e medicamentos - 34%; industria automobilística e de transportes - 21%; construção civil (fachadas, pontes, torres, tanques de estocagem) - 17%; cabos e componentes elétricos - 9%; bens duráveis (8%); indústria de equipamentos e maquinaria - 7% e outros - 4%. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ALUMÍNIO Baixo peso. O alumínio apresenta densidade - 2,7 g/cm 3, aproximadamente 1/3 da densidade do aço. Excelente condutividade elétrica e térmica (de 50 a 60% da condutividade do cobre), sendo vantajoso seu emprego em trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores automotivos. Resistente à corrosão atmosférica, corrosão em meio aquoso (inclusive água salgada), óleos, e diversos produtos solventes. Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformação de componentes com elevadas taxas de deformação. Não é ferromagnético (característica importante para aplicações eletro-eletrônicas) Não é tóxico e portanto, é largamente empregado em embalagens A resistência mecânica do alumínio puro é baixa (~90Mpa), entretanto, são empregados os seguintes mecanismos de endurecimento: Endurecimento por solução sólida (ligas não tratáveis) Endurecimento por dispersão de partículas (ligas não tratáveis) Encruamento (ligas não tratáveis) Endurecimento por dispersão de partículas coerentes ou sub-microscópicas (ligas tratáveis termicamente) A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 C), o que, limita a temperatura de trabalho destas ligas. 1 - ASM Handbook v. 2 Properties and selection: non-ferrous alloys 10 th edition ASM International

2 Relação entre resistência e peso em diversos materiais Material Limite de resistência típico [MPa] Densidade [g/cm 3 ] Relação resistência/peso 7178-T6 607 2,78 218 7075-T6 572 2,75 208 2024-T361 496 2,75 180 5056-H18 434 2,61 166 6066-T6 393 2,67 147 Aço inoxidável AISI 302 964 7,91 121 6061-T6 310 2,67 116 3004-H38 283 2,67 105 Fibra de vidro 130 1,41 92 1350-H19 186 2,66 70 6063-T5 186 2,70 69 3003-H14 151 2,70 56 Aço carbono AISI 1020 413 7,74 53 Bronze 413 8,26 50 5005-O 124 2,67 46 3003-O 110 2,67 41 PVC 51 1,37 37 1060-O 68 2,65 26 Cobre puro 220 8,78 25 LIGAS DE ALUMÍNIO 2 Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos seguintes elementos: Cobre (Cu); Magnésio (Mg); Silício (Si); Manganês (Mn) e Zinco (Zn). De acordo com o produto, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos: LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) ligas destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames) perfis extrudados e componentes forjados.. LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) ligas destinadas a fabricação de componentes fundidos. Somando-se as ligas conformadas e as ligas fundidas, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente. 2- ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM international 1993

3 Estes dois grupos se subdividem em: LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecidas por meio de tratamento térmico LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE São endurecidas por meio de tratamentos térmicos. É importante destacar que termo tratamento térmico é, no seu sentido mais amplo, qualquer operação de aquecimento ou resfriamento realizada para modificar as propriedades mecânicas, estrutura metalúrgica ou estado te tensões internas de um produto metálico. Nas ligas de alumínio, o tratamento térmico é restrito a operações específicas utilizadas para aumentar a resistência e dureza de ligas endurecíveis por precipitação (conformadas ou fundidas) NOMENCLATURA DAS LIGAS CONFORMADAS: 1xxx - Al puro não ligado com 99,00% mínimo de Al 2xxx - ligas contendo COBRE como elemento de liga principal e adições de outros elementos, principalmente Mg. As ligas da série 2xxx são largamente empregadas na indústria aeronáutica e aeroespacial. 3xxx - ligas contendo MANGANÊS como elemento de liga principal 4xxx - ligas contendo SILÍCIO como elemento de liga principal 5xxx - ligas contendo MAGNÉSIO como elemento de liga principal 6xxx - ligas contendo MAGNÉSIO e SILÍCIO como elementos de liga principais 7xxx - ligas contendo ZINCO como elemento de liga principal e adições de Cu, Mg, Cr e Zr. 8xxx Ligas cujas composições apresentam diferentes elementos como Sn ou Li. 9xxx reservada para uso futuro

4 APLICAÇÕES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO CONFORMADAS Nomenclatura: Na série 1xxx, os dois últimos dígitos indicam a % de Al acima de 99%. exemplos: liga 1050-99,50% de Al liga 1060-99,60% de Al O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de algum elemento de liga. Se o 2 o dígito for 0 (zero), indica que o Al não foi ligado e apresenta o limite de impurezas convencional. Os números entre 1 e 9 indicam controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adição de elementos de liga. Nas séries 2xxx à 8xxx, os dois últimos dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmo grupo (número seqüencial) O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de elementos de liga. Ligas experimentais também utilizam este sistema de classificação, porém, são indicadas pelo prefixo X. SÉRIE 1XXX Alumínio comercialmente puro, não ligado, com pureza igual ou superior à 99% de Al. Fe e Si são as principais impurezas. As ligas da série 1000 são caracterizadas pela excelente resistência à corrosão, alta condutibilidade térmica e elétrica, baixa resistência mecânica e elevada ductilidade. Um aumento moderado na resistência mecânica pode ser obtido por meio de encruamento. Aplicações: equipamentos de industria química; refletores; trocadores de calor; condutores elétricos e capacitores; embalagens (papel alumínio) e painéis decorativos para uso na construção civil. SÉRIE 2XXX O COBRE é o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg é o elemento de liga secundário. São ligas tratáveis termicamente, podendo, após os tratamentos, atingir-se a resistência de aço baixo carbono (450 MPa). A resistência à corrosão das ligas da série 2xxx é inferior a de outras ligas de alumínio. Sob certas condições estas pode

5 apresentar corrosão intergranular. As ligas desta série apresentam boa usinabilidade e características de soldagem limitadas (exceto a liga 2219). Aplicações: componentes com elevada relação resistência/peso, sujeitos a temperaturas inferiores à 130ºC; rodas forjadas para a indústria aeronáutica e de caminhões ; fuselagem e componentes estruturais de aeronaves (vide figura); componentes de suspensão de automóveis.

6 SÉRIE 3XXX O MANGANÊS é o elemento de liga principal. As ligas desta série não são tratáveis termicamente, entretanto, apresentam resistência 20% superior que ligas da série 1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%) existem poucas da série 3xxx. Entretanto três delas são largamente empregadas na indústria: 3003, 3004 e 3105. Aplicações: componentes de resistência mecânica baixa que exijam elevada ductilidade; latas de bebidas; utensílios de cozinha; trocadores de calor; tanques de armazenamento; sinalização rodoviária e painéis decorativos e telhados para uso na construção civil. SÉRIE 4XXX O SILÍCIO é o elemento de liga principal. A maior parte das ligas desta série não são tratáveis termicamente. O Si pode ser adicionado para abaixar a temperatura de fusão sem provocar fragilidade excessiva, assim, ligas Al-Si são utilizadas em arames de solda ou como ligas para brazagem de Al (soldagem de Al). A liga 4032 é empregada na fabricação de pistões forjados devido ao baixo coeficiente de expansão e sua alta resistência ao desgaste Ligas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam do cinza ao negro após serem submetidas a anodização e assim são utilizadas em painéis decorativos na construção civil.

7 Aplicações: uso em arquitetura e construção civil; fios, arames e pós para brazagem. SÉRIE 5XXX O MAGNÉSIO é o elemento de liga principal. O Mg é um dos elementos mais efetivos no endurecimento do Al. Quando utilizado como elemento principal ou em conjunto com o Mn, o resultado são ligas não tratáveis com resistência moderada à elevada. O Mg é considerado mais efetivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg tem o mesmo efeito sobre a resistência que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado em quantidades elevadas (~15%). Ligas desta série possuem boas características de soldagem e resistência à corrosão em atmosfera marinha. Aplicações: Uso em arquitetura e decoração; embalagens (tampas de latas de Al); suportes para iluminação pública; peças de barcos e navios; tanques para criogenia e componentes de guindastes e automotores.

8 SÉRIE 6XXX O MAGNÉSIO e o SILÍCIO são os elementos de liga principais. A proporção de Mg e Si visa a formação da fase Mg 2 Si, formando ligas tratáveis termicamente. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade, boas características de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão. Aplicações: Uso em arquitetura e decoração; quadros de bicicletas ; estruturas soldadas SÉRIE 7XXX O ZINCO é o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e 8%. Adições em conjunto com Mg resultam em ligas tratáveis termicamente com resistência mecânica elevada. Normalmente, Cu e Cr também são adicionados em pequenas quantidades. Aplicações: componentes da indústria aeronáutica como estruturas, peças móveis e componentes de alta resistência. SÉRIE 8XXX As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composições com uma miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aerospacial e criogenia.

9 NOMENCLATURA DOS ESTADOS DE ENDURECIMENTO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO F - como fabricado Refere-se a condição resultante após qualquer tipo de processamento (laminação a frio, laminação a quente, fundição e etc.) em que não foram realizados controles sobre a velocidade de resfriamento ou quantidade de encruamento empregados. O (oh)) recozido Nos produtos conformada, refere-se a produtos que sofreram recozimento visando a redução do limite de resistência e aumento de ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimento para alívio de tensões e estabilidade dimensional. H endurecido por encruamento Refere-se a produtos endurecidos por encruamento, podendo ou não apresentar tratamentos térmicos. O sulfixo H é seguido por dois pi mais dígitos: H1- produtos conformados que apresentam encruamento e não sofreram nenhum tratamento suplementar. H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para um determinado valor de dureza. Os dígitos seguintes a H2 indicam a quantidade de encruamento residual após o produto ser parcialmente recozido. H3 produtos encruados e envelhecidos naturalmente para um determinado valor de dureza. T tratado termicamente refere-se aos produtos que sofreram tratamentos térmicos visando aumento de resistência. O sulfixo T é seguido por dois pi mais dígitos: T1 produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis. T2 produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis. T3 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis. T4 produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis. T5 - produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente e envelhecidos artificialmente. T6 produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente. T7 - produtos solubilizados e superenvelhecidos ou estabilizados. T8 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos artificialmente. T9 produtos solubilizados, envelhecidos artificialmente e encruados. T10 produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente, encruados e artificialmente.

10 TRATAMENTOS TÉRMICOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIEMNTO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO Tomaremos como exemplo, o resfriamento lento de uma liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al. SOLUBILIZAÇÃO A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condição metaestável.

11 ENVELHECIMENTO O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da fase endurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ. Nas ligas de alumínio tratáveis, o envelhecimento é realizado em temperaturas de até 280ºC (dentro do campo α + θ) por um intervalo de tempo precisamente determinado. A combinação temperatura e tempo de envelhecimento determinam as características da dispersão da fase θ. Para uma determinada temperatura existe um tempo ótimo em que a dispersão de precipitados é, na maior parte, coerente provocando o endurecimento máximo da liga.

13 CURVAS DE ENVELHECIMENTO: A figura abaixo apresenta o aspecto típico de curvas de envelhecimento. Note que quanto maior a temperatura de envelhecimento, o ponto de resistência máxima ocorre mais rápido, porém com um valor de resistência menor.

14 SUPERENVELHECIMENTO O superenvelhecimento é caracterizado pela redução da resistência mecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os precipitados coerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistência mecânica.

15 Lista de exercícios - ligas de alumínio 1- Especificar os ciclos térmicos (temperatura, tempo e meio de resfriamento) para os tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento dos seguintes componentes: a) componente em liga 2014 (%Cu = 4,5%) com 250mm no qual se objetiva limite de escoamento mínimo de 400MPa. b) componente em liga 2024 (% Cu = 4,5%) com 100mm no qual se objetiva limite de escoamento de 435 ± 20 MPa. c) componente em liga 6061 (temperatura de solubilização = 530ºC) com 50mm no qual se objetiva limite de escoamento de 255 ± 20 MPa. OBS- #1 - utilizar unidades do SI #2 - o tempo de permanência (tp) na temperatura de tratamento para que a temperatura do núcleo do componente seja igual a temperatura de sua superfície é dado pela equação: tp = 0,5 x e eq [h] - onde e eq = metade da espessura do componente em polegadas. 2- Por que as ligas tratáveis (solubilizadas e envelhecidas) apresentam resistência mais elevada que as ligas não tratáveis? Qual o mecanismo de endurecimento e como ele atua? 3- O que significado das especificações: 2014 T6; 2017T4 e 6063F. 4- O que é o superenvelhecimento e qual o seu efeito sobre as propriedades mecânicas? 5- Qual o efeito do envelhecimento sobre as propriedades mecânicas de: a- em um componente resfriado lentamente a partir da temperatura de solubilização (recozido) e b- em um componente que acabou de sofrer conformação mecânica e sofreu resfriamento mais acelerado (condição F).