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SELEÇÃO DOS MATERIAIS
Alumínio e Suas Ligas
Universidade Federal Fluminense (EEIMVR)
-
2009
Professor: Carlos Sergio da Costa Viana
Alunos: Sérgio Ricardo C. de Mello, Camila Oliveira
de Souza, Natali
e Lacerda Citeli
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Alumínio e suas ligas, Notas de estudo de Engenharia Metalúrgica
Material disponibilizado pelo prof Viana na disciplina de Seleção de Materiais.
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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SELEÇÃO DOS MATERIAIS
Alumínio e Suas Ligas
Universidade Federal Fluminense (EEIMVR) - 2009
Professor: Carlos Sergio da Costa Viana
Alunos: Sérgio Ricardo C. de Mello, Camila Oliveira
de Souza, Natalie Lacerda Citeli
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
INTRODUÇÃO
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, verificou- se que os maiores mercados para as ligas de alumínio são: Embalagens para alimentos e medicamentos - 34%; Indústria automobilística e de transportes - 21%; Construção civil (fachadas, pontes, 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 METAL Baixo peso. O alumínio apresenta densidade de 2,7 g/cm3, aproximadamente 1/3 da densidade do aço. Excelente condutividades 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, à corrosão em meio aquoso (inclusive água salgada), à óleos e diversos produtos solventes. Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformação de componentes com elevados valores 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, nele, podem ser empregados os seguintes mecanismos de endurecimento: o Endurecimento por solução sólida (ligas não tratáveis); o Endurecimento por dispersão de partículas (ligas não tratáveis); o Encruamento (ligas não tratáveis); o 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 de suas ligas.
PRODUÇÃO DO ALUMÍNIO:
Redução: O óxido de alumínio é extraído da bauxita através do processo Bayer. O processo Bayer refina o grão e calcina a bauxita com o tratamento térmico de hidróxido de sódio que converte a alumina em minério de sódio conforme a reação: Al 2 O 3 +2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 O (160 – 170ºC) Após a separação do resíduo insolúvel, constituído principalmente de óxido de ferro e sílica, a solução de alumínio é resfriada lentamente até 25 – 35ºC, para precipitação do hidróxido de alumínio [Al(OH) 3 ], de acordo com a reação: NaAlO 2 + 2H 2 O → Al(OH) 3 + NaOH O Al(OH) 3 é então refinado, lavado e calcinado à 1100ºC para produção de óxido de alumínio, Al 2 O 3. O óxido de alumínio é dissolvido em um banho de criolita fundida (Na 3 AlF 6 ) e eletrolizado em células eletrolíticas de carbono, usando como ânodo e cátodo eletrodos de carbono. No processo de eletrólise (processo Hall), o alumínio fundido é depositado no estado líquido no cátodo de carbono, revestindo a parte inferior da soleira do lote eletrolítico, sendo que tem maior densidade. Durante a eletrólise, o oxigênio é liberado pelo ânodo, quando este
ataca o carbono, e forma CO e CO 2. O alumínio fundido é periodicamente 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. A Figura abaixo mostra a célula eletrolítica usada para a produção de alumínio. TRATAMENTO TÉRMICO As ligas de alumínio que são classificadas em “tratáveis termicamente”, respondem ao tratamento de dissolução. Os principais tipos de tratamento térmico são: Homogeneização; Solubilização/Envelhecimento; Recozimento Pleno; Recozimento Parcial; Estabilização. HOMOGENEIZAÇÃO É realizado em temperaturas ao redor de 500ºC – dependendo da liga – e tem a função de remover ou reduzir as segregações, produzir estruturas estáveis e controlar certas características metalúrgicas, como propriedades mecânicas, tamanho de grão, estampabilidade, entre outras. Na laminação a quente, este tratamento pode ser executado concomitantemente ao aquecimento das placas. A Figura abaixo mostra esquematicamente o efeito da homogeneização na microestrutura de uma liga de alumínio com precipitados de uma fase nos contornos de grão.
posterior para corrigir distorções não previstas que possam ocorrer durante o resfriamento. Porém, preferencialmente, a conformação deve ser feita imediatamente após o tratamento de solução, antes do envelhecimento. Quando esta conciliação for difícil, é possível retardar o envelhecimento mantendo os componentes resfriados. Essa técnica é freqüentemente aplicada em rebites para a indústria de aviação. Tratamento de solubilização e envelhecimento, com precipitação da fase numa matriz da fase . CURVAS DE ENVELHECIMENTO A Figura abaixo apresenta o aspecto típico das curvas de envelhecimento. Note-se que quanto maior a temperatura de envelhecimento, mais rapidamente ocorre o ponto de resistência máxima, porém com um valor de resistência menor. Isto se deve ao fato de o coalescimento dos precipitados depender da difusão das espécies químicas e da concentração de lacunas e, como se sabe, ambas crescem com o aumento da temperatura (processo termicamente ativado). O crescimento das partículas se dá umas às custas das outras, ou seja, várias partículas pequenas “coalescem” formando uma maior. Como o volume da fase precipitada é aproximadamente constante, maiores partículas significa menor número delas e maior distância entre elas. Com isso, há menor travamento das discordâncias e, consequentemente, menor resistência mecânica. Sabe-se: AP = m (^) C onde C = 0 + e onde G. b Aqui, m = fator de Schmid, C = tensão cisalhante crítica, b = vetor de Burger e é o espaçamento entre as partículas. Logo, maior , menor AP.
SUPERENVELHECIMENTO
O superenvelhecimento é caracterizado pela redução relativa da resistência mecânica, após um longo tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento é superior ao do ponto de resistência máxima, os precipitados coerentes da fase θ aumentam de tamanho às custas uns dos outros
RECOZIMENTO PLENO
O recozimento pleno é um tratamento térmico em que se obtém as condições de plasticidade máxima do metal (têmpera O), correspondendo a uma recristalização total do material. O processo é o seguinte: O metal deformado a frio é aquecido, geralmente na faixa de 350°C, suficientemente para permitir o seu rearranjo numa nova configuração cristalina não deformada; 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; Deve-se evitar superaquecimentos que causam coalescência e o crescimento exagerado dos grãos, também chamada de recristalização secundária , com a conseqüente tendência de ser desenvolvido o defeito "casca de laranja" nos trabalhos subseqüentes de estampagem. Granulação em função do encruamento e da recristalização 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. ESTABILIZAÇÃO Nas ligas Al-Mg (série 5XXX), após alguns dias à temperatura ambiente, ocorre uma perda de propriedades mecânicas do material deformado a frio. Trata-se de um processo de recuperação. Para contornar esse inconveniente, aquece-se o material em temperaturas ao redor de 150ºC para acelerar a
recuperação (têmperas H3X). Este tratamento alivia a tensão residual dos materiais encruados e aumenta a resistência à corrosão das ligas de AlMg. NOMENCLATURA As ligas de alumínio, segundo a Aluminum Association (AA), são divididas nas nove classes a seguir: 1xxx: Série do alumínio puro (99,9%) ou comercial. Destacado pela resistência a corrosão, altas condutividades térmica e elétrica. Porém, apresenta baixa resistência mecânica. 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 2o 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. 2xxx: O cobre é o principal elemento de liga. Se receberem tratamentos tais como solubilização e envelhecimento, ter-se-ão grandes aplicações na indústria aeronáutica, devido à alta resistência mecânica. 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. 3xxx: O manganês é o principal elemento de liga. Não são ligas tratáveis termicamente, tendo como principal aplicação os produtos estampados. 4xxx: O silício é o principal elemento de liga. Apresentam baixos pontos de fusão e impossibilidade de tratamento térmico. São utilizadas também como material de adição para solda. 5xxx: O magnésio é o principal elemento de liga. Sua aplicação é similar à da série 3xxx. 6xxx: Ligas de Al-Mg-Si, tendo como resultado a fase Mg 2 Si o que tornará possível o tratamento térmico de solubilização e envelhecimento. Não são tão resistentes quanto as das classes 2xxx e 7xxx, porém são utilizadas na fabricação de bicicletas, pois podem ser soldadas. 7xxx: Ligas de Al-Zn. Dos tratamentos térmicos, resultam os mais altos índices de resistência mecânica e tenacidade. Ampla aplicação no setor aeronáutico. 8xxx: O principal elemento de liga é o lítio. São tratáveis termicamente e apresentam alta resistência mecânica específica. Os dois últimos dígitos não
o T6 – produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente. o T7 - produtos solubilizados e superenvelhecidos ou estabilizados. o T8 – produtos solubilizados, encruados e envelhecidos artificialmente. o T9 – produtos solubilizados, envelhecidos artificialmente e encruados. o T10 – produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente, encruados e artificialmente. APLICAÇÕES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO 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 apresentar corrosão intergranular. As ligas desta série apresentam boa usinabilidade e características de soldagem limitadas (exceto a liga 2219). O primeiro trabalho desenvolvido em liga binária Alumínio-Cobre foi nos Estados Unidos sobre a liga 2025, a qual contém aproximadamente 5,5% de Cu. Entretanto a liga 2025, introduzida em 1926, está limitada ao uso para materiais forjados. A liga 2219, que contém 6,3% Cu e foi desenvolvida em 1954, tem substituído em muitos casos a liga 2025. A liga 2219 apresenta maior e mais alto campo de resistência, assim como uma boa soldabilidade, superior resistência a tensão de corrosão e melhores propriedades a elevadas temperaturas. Veja abaixo o diagrama de fases Al-Cu com fases e composições:
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. Abaixo estão apresentadas algumas aplicações da série 2XXX e da série 8XXX em aeronave comercial e em aeronave militar.
- Envelhecida artificialmente entre as temperatura de 130 à 190 0 C (em estufa). EVOLUÇÃO DA MICROESTRUTURA
- tempo de envelhecimento
As ligas alumínio-cobre trabalháveis mais importantes, em uso atualmente, são as ligas 2025, 2219 e 2011.
composições químicas e aplicações típicas para as mais importantes ligas de Al-Cu-Mg. A adição de Mg para as ligas de Al-Cu acelera e intensifica o endurecimento por precipitação na liga de Al-Cu. Apesar de ter sido uma das primeiras ligas a ser descoberta, os detalhes dos processos de precipitação das ligas Al-Cu-Mg não são completamente entendidos. A seqüência de precipitação geral para essas ligas acredita-se ser: Solução sólida supersaturada → zonas GP → S` (Al 2 CuMg) → S (Al 2 CuMg) Acredita-se que as zonas GP são formadas em estágios anteriores ao envelhecimento a baixas temperaturas, porém sua forma e tamanho não são firmemente estabelecidos.A aceleração do processo de envelhecimento natural nas ligas de Al-Cu, pela adição de Mg, pode ser feito em parte com um acréscimo na taxa de difusão feito possivelmente pela compensação dos maiores átomos de Mg em relação aos menores átomos de Cu. Os átomos de Mg também poderiam aliviar algumas tensões associadas com os átomos de Cu no Al. O efeito dos átomos de Mg, entretanto, podem ser acelerados nas zonas de crescimento.
As propriedades mecânicas das ligas Al-Cu-Mg trabalhadas mais comuns são listadas na tabela seguinte.