LIGAS DE ALUMÍNIO E FABRICAÇÃO

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1. LIGAS DE ALUMÍNIO E FABRICAÇÃO
CAMILA DE MELLO DE MICHELI
Com a atualidade, o alumínio se tornou um dos metais mais abundantes
em escala mundial. Em 2000, constituía 8,8% do peso da crosta terrestre. Sua
grande utilização comercial só é superada pelo ferro (BIANCO, 2000).
O alumínio puro foi obtido pela primeira vez em 1827 por F. Wohler com
o aquecimento de cloreto de alumínio com presença de potássio. Em 1866 SC.
Deville substituiu o potássio pelo sódio. No mesmo ano, P. Heroult
simultaneamente com C. Hall descobriU da possibilidade de tornar condutora
uma solução de alumina, através da fusão com criolita e outros fundantes
(FULCO el al, s.a.).
O alumínio é derivado de fonnas combinadas de óxidos ou silicatos,
devido a sua grande afinidade com o oxigênio (BIANCO, 2000). Como comenta
Fulco et al (s.a.), essa liga metálica não se encontra em estado livre, mas sim
formado por inúmeros compostos diferentes que acabam contendo oxigênio.
Muito de seus derivados compostos encontrados na natureza têm
valores bastante altos, como as pedras rubis, safiras, topázios e os crisoberilos.
O alumínio é um metal não ferroso que tem a característica de ser um
excelente condutor elétrico, correspondendo a cerca de 2/3 da condutividade
do cobre. Quando se leva em conta que possui baixa densidade quando
comparado com outros metais condutores, o alumínio acaba abrindo certas
vantagens para sua utilização (PEIXOTO, 2001).
Quando em estado puro ele é aceitavelmente maleável e pouco
resistente à ruptura. Como comenta Bianco (2000), os baixos valores de
resistência devem-se não só à ausência de mecanismos de endurecimento
como também à possibilidade de ocorrer recristalização durante o ensaio de
produção.
Assim, seus principais meios de utilização contêm pureza de 90 a 99%,
formando ligas com ferro e silício, que tem características de dureza e
resistência à ruptura (PEIXOTO, 2001).
Suas principais áreas de utilização são na fabricação de automóveis e
caminhões, embalagens de alimentos e bebidas, construção de edifícios, cabos
para transmissão de eletricidade, equipamentos eletroeletrônicos,
aeroespaciais e militares, ligas dentárias, produção de flashes fotográficos,
explosivos. E em casos mais restritos é utilizado na obtenção de hidrogênio
pela reação com outras substâncias como ácido clorídrico, ácido sulfúrico,
hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio (BIANCO, 2000).
O principal minério utilizado para fabricação do alumínio é a bauxita,
através do processo Bayer. A composição das bauxitas varia de acordo com o
seu estado de hidratação, no qual no mais comum a alumina (Al2O3) está ligada
a duas moléculas de água, “geologicamente é o produto da alteração do
silicato de alumínio com perda da sílica seguida de hidratação FULCO et al,
2000, pg. 06)”.
A metalúrgica do alumínio é constituída de várias fases. A primeira é a
obtenção da alumina (óxido de alumínio) a partir da bauxita, com seguida
eletrólise da mesma.
Para realização da obtenção da bauxita, a mesma é submetida à
purificação para eliminar óxidos de ferro, titânio e silício. Em seguida a alumina
é aquecida para evaporação da água presente. (FULCO et al, s.a.).
O processo Bayer refina e calcifica a bauxita com tratamento térmico de
hidróxido de sódio que converte o alumínio em aluminato de sódio, como
demonstra a reação 1.1 (FULCO et al, s.a.; MARTINS, 2003)
Reação 1.1: Obtenção do óxido de alumínio através do processo Bayer
𝐴𝑙
2
𝑂
3
 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 2𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂
2
 + 𝐻
2
𝑂 
Fonte: Adaptado de Martins (2003).
Após a separação do resíduo insolúvel, constituído principalmente de
óxido de ferro e sílica, a solução de alumínio é resfriada para precipitação do
hidróxido de sódio, como demonstra a reação 1.2.
Reação 1.2: Formação do precipitado de hidróxido de sódio.
𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂
2
 + 2𝐻
2
𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻) 
3
+ 𝑁𝑎𝑂𝐻
Fonte: Adaptado de Martins (2003).
No qual o é refinado, lavado de calcificado para produção de𝐴𝑙(𝑂𝐻) 
3
 
óxido de alumínio. A eletrólise é realizada em células eletrolíticas, onde são
misturadas a alumina, criolita e outros fundantes, com controle de temperatura
entre 850 a 900ºC (FULCO et al, s.a.).
Dessa forma, o alumínio fundido é depositado no estado líquido no
cátodo de carbono, revestindo a parte inferior da soleira do lote eletrolítico, por
ter maior densidade. Durante a eletrólise, o oxigênio é liberado pelo ânodo para
atacar o carbono e formar CO e CO2 (FULCO et al, s.a.).
O alumínio fundido é liberado pelas células e tratado no estado fundido,
o que promove a remoção do excesso de óxido e de outros gases. A célula de
liberação do alumínio geralmente contém 99,5 a 99,9% de alumínio. Tendo
como impurezas, principalmente, ferro e silício (FULCO et al, s.a.).
1.1. PROPRIEDADES QUÍMICAS E FÍSICAS
O alumínio é um metal bastante reativo, mesmo assim, quando
composto de suas ligas, torna-se consideravelmente resistente à corrosão. Em
decorrência da sua reatividade, ele acaba reagindo de maneira rápida com o
oxigênio para formação de óxido de alumínio, que é menos reativo que o seu
metal. A formação desse óxido acarreta na formação de uma película protetora
sobre o metal (PEIXOTO, 2001). Como comente Bianco (2000, pg 05) “a
estabilidade dessa película também está relacionada à alta temperatura de
fusão do AI2O3, que é superior a 2000°C”.
Reação 1.1: Produção do óxido de ferro.
𝐴𝑙
(𝑠)
+ 32 𝑂2(𝑔)
→ 𝐴𝑙
2
𝑂
3(𝑠)
Fonte: Adaptado de Peixoto (2001).
A reação entre alumínio e o oxigênio (reação 1.1.) é fortemente
exotérmica, o que a torna muito utilizadas em soldagens. Assim, a elevada
estabilidade do óxido de alumínio torna esse metal apropriado para redução de
óxidos e cloretos pouco estáveis (BIANCO, 2000).
A densidade do alumínio é de cerca de 1/3 do aço (2,7 g/cm3). Sendo
essa a principal razão da sua utilização da indústria automobilística. Os Estados
Unidos são os maiores produtores de Al, enquanto o Brasil não figura entre os
cinco maiores produtores mundiais (PEIXOTO, 2001).
Muitas das propriedades físicas dos alumínios relacionam-se com sua
estrutura cristalina cúbica. Seus átomos são unidos por ligações metálicas. Isso
significa que alguns átomos desse metal perdem elétrons na sua última
camada de valência, produzindo uma força que mantém os átomos unidos e
aumentando suas características condutoras (BIANCO, 2000). As principais
características físicas e químicas estão demonstradas na imagem 1.1.
Imagem 1.1: Características químicas e físicas.
Fonte: Adaptado de Peixoto (2001).
Sua condutividade elétrica é relativamente alta, por isso vem se
tornando cada vez mais utilizado na produção de cabos de transmissão. Já a
condutividade térmica, é cerca de ½ da condutividade elétrica do cobre, e
chega a ser três vezes maior que a do ferro, o que torna o alumínio um material
bastante adequado para trocadores de calor (BIANCO, 2000).
Outras características extremamente importantes para suas utilizações
são que o alumínio apresenta um coeficiente de dilatação linear bastante
considerável, com máximo de 25 em 10-6 ºC, o que resulta em maiores níveis
de tensões e distorções quando aquecido. Sendo muito empregado como
material de fundição (BIANCO, 2000).
Como comente Peixoto (2001, pg 06) “o alumínio de elevada pureza,
refinado por fusão zonal, apresenta limite de resistência (L.R.) entre 26MPa e
28MPa; dureza vickers entre 6kg/mm [...] alongamento entre 72% e 74%”.
Esse metal não ferroso possui uma ductilidade de 25% a 60%, o que
acaba tornando-se atrativo na produção de chapas, perfis e cantoneiras por
processos de extrusão e laminação. Como comente Bianco (2001, pg 07):
A alta ductilidade do alumínio deve-se [...] à estrutura cúbica de face
centrada, que possui elevado número de sistemas de escoamento,
possibilitando grande mobilidade das discordâncias. O módulo de
elasticidade do alumínio é de 70GPa, cerca de 1/3 em relação ao aço.
Em decorrência do fato desse elemento não produzir faíscas por
impactoscom outros metais faz com que o alumínio seja um dos metais mais
indicados para fabricação de tanques de produtos inflamáveis e/ou explosivos
(FULCO et al, s.a.). Porém, o pó de alumínio entra facilmente em combustão,
devido à afinidade com oxigênio.
Como comenta Bianco (2001, pg 08), na natureza o isótopo encontrado
de maneira mais abundante é o 27Al, porém são conhecidos outros seis
isótopos radioativos e um isótopo isômero. O isótopo mais importante, o 26Al, é
encontrado em meteoros, que “decai com emissão β+ radiação γ”.
Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem
combinações dos seguintes elementos: cobre, magnésio (SPECTRU, s.a.).
● Elevada Plasticidade: laminados de pouca espessura (resguardos
de bombons, etc...);
● Elevada condutividade elétrica: (65% do Cu) emprego no setor
elétrico (cabos, fios, etc...). A vantagem do Al é a leveza;
● Elevada resistência à corrosão: artigos domésticos, embalagens,
etc;
● Baixa densidade: material para construção mecânica (carros,
aeronaves,etc...).
Alumínio tem peso leve, porém algumas de suas ligas têm resistência
tão alta quanto o aço estrutural. Têm boa condutibilidade elétrica e térmica e
alta refletividade a luz e ao calor. Têm alta resistência à corrosão sob as mais
altas condições de trabalho é não tóxico. O alumínio pode ser fundido e
trabalhado em quase todas as formas e pode-se obter grande variedade de
formas. Com todas estas propriedades apresentadas, não é surpresa que as
ligas de alumínio vêm sendo primordial e com extrema importância para
engenharia de materiais (MARTINS, 2003).
REFERENCIAL TEÓRICO
BIANCO, Paulo Amaral G.s. Obtenção De Ligas De Alumínio-Manganês A Partir Da
Redução De Cloreto De Manganês. Autarquia Associada À Universidade De São Paulo, São
Paulo -2000. Disponível em:
http://pelicano.ipen.br/PosG30/TextoCompleto/Paulo%20Amaral%20Goncalves%20Bianco_M.p
df. Acesso em: nov. 2018.
FULCO, Rafael Rodriguez, et al. Ligas Metálicas. Pontíficia Universidade Católica do
Rio de Janeiro. RJ-s.a. Disponível em: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/1676/1676.PDF.
Acesso em: nov. 2018.
MARTINS, Carlos Alberto B, et al. Structure and Properties of Enginnering Alloys.
2. ed. Capther 5: Aluminium Alloys. New York: McGraw-Hill, Inc-2003.
PEIXOTO, Eduardo Motta Alves. Elemento Químico: Alumínio. Química Nova Na
Escola. N° 13 -2001. Disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc13/13-aluminio.pdf.
Acesso em: nov. 2018.
PECTRU. Alumínio E Suas Ligas. Disponível em:
http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/aluminio%5B1%5D.pdf. Acesso em: set. 2018.