Aula 12 - Alumínio e suas ligas

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Alumínio e suas ligas
Christiano Honorato Pereira e Silva
Introdução
• O alumínio, apesar de ser o terceiro elemento mais abundante
na crosta terrestre, é o metal mais jovem usado em escala
industrial. Mesmo utilizado milênios antes de Cristo, o
alumínio começou a ser produzido comercialmente há cerca de
150 anos. Sua produção atual supera a soma de todos os
outros metais não ferrosos.
• Antes de ser descoberto como metal isolado, o alumínio
acompanhou a evolução das civilizações. Sua cronologia
mostra que, mesmo nas civilizações mais antigas, o metal dava
um tom de modernidade e sofisticação aos mais diferentes
artefatos.
Alumínio e suas ligas
Introdução
• Hoje, os Estados Unidos e o Canadá são os maiores produtores
mundiais de alumínio. Entretanto, nenhum deles possui jazidas de
bauxita em seu território, dependendo exclusivamente da
importação.
• O Brasil tem a terceira maior reserva do minério no mundo, localizada
na região amazônica, perdendo apenas para Austrália e Guiné. Além
da Amazônia, o alumínio pode ser encontrado no sudeste do Brasil,
na região de Poços de Caldas (MG) e Cataguases (MG). A bauxita é o
minério mais importante para a produção de alumínio, contendo de
35% a 55% de óxido de alumínio.
• No Brasil, mais precisamente na cidade de Ouro Preto (MG), foi
produzido o primeiro lingote de alumínio do Hemisfério Sul, na
fábrica da Elquisa.
Alumínio e suas ligas
Introdução
• Ocupando a 2ª posição no ranking mundial, em 2004, o
Brasil produziu 21 milhões de toneladas de bauxita.
• A bauxita deve apresentar no mínimo 30% de alumina
aproveitável para que a produção de alumínio seja
economicamente viável. O processo de obtenção de
alumínio primário divide-se em três etapas: Mineração,
Refinaria e Redução.
• Basicamente, são necessárias cerca de 5t de bauxita para
produzir 2t de alumina e 2t de alumina para produzir 1t
de alumínio pelo processo de Redução.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
•O alumínio apresenta densidade de 2,7 g/cm3,
cerca de 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.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
• Resistente à corrosão atmosférica, corrosão em meio
aquoso (inclusive água salgada), óleos, e diversos
produtos solventes.
• Ductilidade elevada (CFC) permitindo conformação
de componentes com elevadas taxas de deformação.
• Não é ferromagnético (característica importante
para aplicações eletroeletrônicas).
• Não é tóxico e, portanto, é largamente empregado
em embalagens.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
• A resistência mecânica do alumínio puro é baixa
(cerca de 90MPa), entretanto, são empregados os
seguintes mecanismos de endurecimento:
Endurecimento por solução sólida;
Encruamento;
Endurecimento por dispersão de partículas coerentes
ou sub-microscópicas.
• A principal limitação do alumínio é a sua baixa
temperatura de fusão (660 °C), o que, limita a
temperatura de trabalho destas ligas.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Módulo de Elasticidade (Young)
• O módulo de elasticidade do alumínio do alumínio é de
7030 kg/mm2. A adição de outros materiais nas ligas não
altera esse valor consideravelmente, que pode chegar a
até 7500 kg/mm2. Portanto, o índice do alumínio
representa um terço do módulo de elasticidade do aço.
• Essa propriedade dá ao alumínio a vantagem de dar às
estruturas de alumínio uma elevada capacidade de
amortecer golpes e reduzir as tensões produzidas pela
variação da temperatura.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Tensão de Fadiga
• Quando uma tensão oscilante é aplicada por certo número de
vezes sobre um mesmo material, mesmo que os impactos
tenham força inferior ao seu limite de resistência à tração, é
previsível uma falha por fadiga. Em muitas ligas de alumínio
não há um limite inferior de tensão abaixo do qual a fadiga
nunca possa ocorrer, mas quanto menor a tensão, maior o
número de ciclos necessários para produzir a falha.
• No alumínio, em testes normais, o limite de resistência chega a
50 milhões de inversão de tensão e pode variar de 25% a 50%
da tensão de ruptura, conforme a liga.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Temperaturas elevadas
• O alumínio puro funde a 660ºC e várias ligas possuem um
ponto de fusão inferior a esse. O metal puro e muitas ligas
perdem um pouco a sua resistência, ficando sujeito a uma
lenta deformação plástica, chamada de fluência, se
permanecer sob tensão por longos períodos em temperaturas
acima de 200ºC.
• Por outro lado, ligas feitas para serviços em altas temperaturas,
como às usadas em pistões, retêm suas propriedades
adequadamente, funcionando satisfatoriamente dentro da
faixa de temperatura de trabalho requerida.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Temperaturas baixas
• Quando exposto a temperaturas abaixo de zero, o
alumínio não se torna frágil.
• Sua resistência aumenta sem perder a ductilidade.
Esta é a característica que leva uma liga de AlMg ser
escolhida para a construção de tanques soldados
para armazenamento de gás metano liquefeito, em
temperaturas de –160ºC.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Impermeabilidade e opacidade
•Característica fundamental para embalagens de
alumínio para alimentos e medicamentos. O
alumínio não permite a passagem de umidade,
oxigênio e luz.
•Essa propriedade faz com que o metal evite a
deterioração de alimentos, remédios e outros
produtos consumíveis.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Beleza
• O aspecto externo do alumínio, além de conferir um
bom acabamento apenas com sua aplicação pura,
confere modernidade a qualquer aplicação por ser
um material nobre, limpo e que não se deteriora
com o passar do tempo.
• Por outro lado, o metal permite uma ampla gama de
aplicações de tintas e outros acabamentos,
mantendo sempre o aspecto original e permitindo
soluções criativas de design.
Alumínio e suas ligas
Principais características do alumínio
Reciclabilidade
• Uma das principais características do alumínio é sua alta
reciclabilidade. Depois de muitos anos de vida útil, segura
e eficiente, o alumínio pode ser reaproveitado, com
recuperação de parte significativa do investimento e
economia de energia, como já acontece largamente no
caso da lata de alumínio.
• Além disso, o meio ambiente é beneficiado pela redução
de resíduos e economia de matérias-primas propiciadas
pela reciclagem.
Alumínio e suas ligas
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
• O alumínio fundido dissolve outros metais e
substâncias como o silício. Quando o alumínio se
resfria e se solidifica, alguns dos constituintes da liga
podem ser retidos em solução sólida.
• Isto faz com que a estrutura atômica do metal se
torne mais rígida. Os átomos podem ser visualizados
como sendo arranjados em uma rede cristalina
regular formando moléculas de tamanhos diferentes
daqueles do elemento de liga principal.
Alumínio e suas ligas
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
• A principal função das ligas de alumínio é aumentar a resistência mecânica
sem prejudicar as outras propriedades. Assim, novas ligas têm sido
desenvolvidas combinando as propriedades adequadas a aplicações
específicas. O metal quente pode manter mais elementos de liga em
solução sólida do que quando frio. Consequentemente, quando resfriado,
ele tende a precipitar o excesso dos elementos de liga da solução.
• Este precipitado pode ser na forma de partículas duras, consistindo de
compostos intermetálicos, tais como: CuAl2 ou Mg2Si. Estes agregados de
átomos metálicos tornam a rede cristalina ainda mais rígida e endurecem a
liga. A descoberta do “envelhecimento”, das ligas que contém magnésio e
silício conduziu ao desenvolvimento das principais ligas estruturaisutilizadas hoje na engenharia. Este foi um trabalho pioneiro no campo das
ligas de alumínio magnésio, amplamente utilizadas atualmente na indústria
naval.
Alumínio e suas ligas
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
• Um dos aspectos que tornam as ligas de alumínio
tão atraentes como materiais de construção
mecânica é o fato de o alumínio poder combinar-se
com a maioria dos metais de engenharia, chamados
de elementos de liga.
• Com essas associações, é possível obter
características tecnológicas ajustadas de acordo com
a aplicação do produto final. Mas para isso, é preciso
conhecer bem as vantagens e limitações de cada
elemento para fazer a melhor seleção.
Alumínio e suas ligas
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
• De acordo com o produto, as ligas de alumínio podem ser divididas em 2
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. 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.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO PLENO
• O recozimento pleno é um tratamento térmico em que se obtém as condições
de plasticidade máxima do metal, correspondendo a uma recristalização total
do mesmo. O processo é o seguinte:
1) O metal é aquecido, geralmente na faixa de 350°C, suficientemente para
permitir o seu rearranjo numa nova configuração cristalina não deformada;
2) Este processo de recristalização remove o efeito do trabalho a frio e deixa o
metal numa condição dúctil. O recozimento bem sucedido caracteriza-se
somente pela recristalização primária;
3) Deve-se evitar superaquecimentos que causam coalescência e o crescimento
exagerado dos grãos, também chamada de recristalização secundária, com a
consequente tendência de ser desenvolvido o defeito "casca de laranja" nos
trabalhos subsequentes, principalmente de estampagem.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO PLENO
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO PARCIAL
• Este tipo de tratamento térmico corresponde a uma
recristalização parcial do material, permitindo a
obtenção de têmperas com alongamentos maiores.
• Esse processo favorece, em alguns casos, o processo
de estampagem, conferindo ao produto final uma
maior resistência mecânica. Pode ser realizado entre
as temperaturas de 200°C a 280°C, dependendo da
porcentagem de redução aplicada na laminação a
frio.
Alumínio e suas ligas
• Tomaremos
como exemplo,
o resfriamento
lento de uma
liga do sistema
Al-Cu contendo
4,5% de Cu 0u
94,5% de Al.
TRATAMENTOS TÉRMICOS
SOLUBILIZAÇÃO
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS SOLUBILIZAÇÃO
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
ENVELHECIMENTO
•Envelhecimento natural: Pode ocorrer que
depois de algum tempo as ligas solubilizadas
comecem a endurecer devido à precipitação,
muito lenta, da fase endurecedora. Nesse caso a
liga endurece bem menos do que no tratamento
de precipitação.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
ENVELHECIMENTO
• Envelhecimento artificial: O envelhecimento pode ser ativado
pelo aquecimento da liga a temperaturas inferiores à linha de
solubilidade máxima do cobre no alumínio; as ligas endurecem
um pouco mais do que no envelhecimento natural, porém não
chegam a fragilizar na precipitação.
• 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.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS ENVELHECIMENTO
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
ENVELHECIMENTO
• 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.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
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.
Alumínio e suas ligas
TRATAMENTOS TÉRMICOS
SUPERENVELHECIMENTO
Alumínio e suas ligas
LIGAS DE FUNDIÇÃO
• Diferentemente dos materiais trabalháveis, que estão
sujeitos a uma variação dos processos de aquecimento e
de resfriamento, as ligas de fundição adquirem suas
propriedades na condição de fundida e,
consequentemente, um grupo diferente de ligas tem sido
formulado para a produção de peças fundidas.
• As ligas empregadas nas aplicações gerais de engenharia
frequentemente contêm silício para melhorar suas
características de fundição, tais como fluidez (no
vazamento) e resistência a trincas de contração (quando
o metal quente se solidifica e se contrai).
Alumínio e suas ligas
LIGAS DE FUNDIÇÃO
• As ligas de alumínio para a fundição são as mais versáteis de todas as ligas
empregadas em fundição. Suas principais características de fundição são:
Baixa viscosidade, o que facilita o preenchimento de seções finas;
Baixa temperatura de fusão, possibilitando o emprego de moldes metálicos;
Elevado coeficiente de transferência de calor, possibilitando a realização de ciclos
de fundição curtos;
Somente o hidrogênio apresenta solubilidade significativa em ligas de alumínio e
seu teor pode ser controlado pelos processos de desgaseificação;
A maior parte das ligas de alumínio não apresenta tendências ao fenômeno de
trinca a quente; e
São ligas que não apresentam interações ou reações do tipo metal-molde e
consequentemente, apresentam bom acabamento superficial após a fundição.
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
• O alumínio é amplamente utilizado pela indústria de
diversas maneiras. Tal versatilidade se deve às suas
propriedades e excelente desempenho na maioria
das aplicações. Suas técnicas de fabricação
permitem a manufatura do produto acabado a
preços competitivos. Cada segmento utiliza o metal
na forma mais adequada às suas finalidades, de
acordo com os diferenciais e propriedades de cada
produto.
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
SETOR AUTOMOTIVO
• Em veículos automotivos comerciais, nos quais os custos de
manutenção e a economia de operação a longo prazo são
cruciais, o alumínio é extensivamente utilizado em carrocerias,
e peças internas como pistões, blocos de motores, caixas de
câmbio, chassis e acessórios. No Brasil, o uso do alumínio em
carros e utilitários é da ordem de 50 kg/veículo, enquanto nos
EUA é de cerca de 128 kg/veículo.
• A tendência do uso do metal nessa indústria é promissora, pois
o menor consumo de combustível proporcionará uma redução
considerável de emissões de poluentes.
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
AERONÁUTICA E AVIAÇÃO
O alumínio tem sido o material predominante na
indústria aeronáutica com cerca de 80% em peso,
devido ao desenvolvimento de ligas com
resistência mecânica mais elevada. A rigorosa
exigência dos foguetes espaciais tem demandado
cada vez mais o uso deste metal.
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
EMBARCAÇÕES
Com a melhoria das técnicas de soldagem e o
desenvolvimento das ligas de AlMg, que resistem
à corrosão da água salgada, o alumínio tem sido
muito utilizado nestemercado, permitindo a
confecção de barcos, lanchas, navios e
submarinos.
Alumínio e suas ligas
APLICAÇÕES
EMBALAGENS
Inovações, tecnologia e serviços têm garantido forte expansão das
aplicações do alumínio no setor de embalagens nos últimos anos. No
mundo e em especial no Brasil, o mercado vem consumindo folhas e
laminados em escala crescente na embalagem de produtos
farmacêuticos, de higiene e limpeza, de bebidas e produtos
alimentícios. O crescimento significativo da capacidade instalada de
produção de laminados no País, que se deve às latas de alumínio para
bebidas carbonatadas, que veio atender um consumo da ordem de
mais de nove bilhões de unidades por ano. Um sinal de confiança dos
consumidores e de sucesso sem precedentes em termos de solução
para o mercado de embalagens.
Alumínio e suas ligas
RECICLAGEM
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RECICLAGEM
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	Introdução
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	Principais características do alumínio
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	CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E QUÍMICAS
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	TRATAMENTOS TÉRMICOS
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	LIGAS DE FUNDIÇÃO
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