Alumínio e suas ligas - Material disponibilizado pelo prof Viana na disciplina de...
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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
O alumínio metálico é obtido pela redução eletrolítica da alumina (Al2O3) 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, verificouse 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
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 eletroeletrônicas);
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 submicroscópicas (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.
Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos seguintes elementos:
Manganês (Mn) e
De acordo com o produto a ser feito, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos:
LIGAS PARA TRABALHO E CONFORMAÇÃO (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 PARA FUNDIÇÃO (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de componentes fundidos.
Somando-se as ligas conformáveis e as ligas para fundição, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente.
Estes dois grupos se subdividem em:
LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecíveis por meio de tratamento térmico;
LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de tratamentos térmicos.
É importante destacar que o termo "tratamento térmico" é, no seu sentido mais amplo, qualquer operação de aquecimento ou resfriamento controlado 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 a dureza de ligas endurecíveis por precipitação (conformáveis ou fundidas).
O diagrama a seguir ilustra a relação entre os elementos de liga e a classificação das ligas de alumínio.
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:
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:
O Al(OH)3 é então refinado, lavado e calcinado à 1100ºC para produção de óxido de alumínio, Al2O3. O óxido de alumínio é dissolvido em um banho de criolita fundida
(Na3AlF6) 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 CO2. 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 9,5 a 9,9% de alumínio, tendo, como impurezas, principalmente, ferro e silício.
A Figura abaixo mostra a célula eletrolítica usada para a produção de alumínio.
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;
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.
Esse tratamento dá às ligas que respondem a ele uma maior resistência mecânica.
O metal é aquecido uniformemente até cerca de 500°C. A temperatura exata depende de cada liga. O aquecimento ocasiona a dissolução dos elementos de liga na solução sólida (tratamento de solução);
Segue-se um resfriamento rápido, geralmente em água, que previne temporariamente a precipitação dos elementos da liga (a difusão é muito lenta na TA), formando uma solução saturada. Esta condição é instável. Gradualmente, as fases constituintes precipitam-se de uma maneira extremamente fina (sobre lacunas e discordâncias, somente visível por potentes microscópios), alcançando o máximo efeito de endurecimento (envelhecimento). Em algumas ligas isto ocorre espontaneamente, depois de alguns dias na TA (envelhecimento natural). Em outras, requer-se um reaquecimento por algumas horas a cerca de 175°C (tratamento artificial de precipitação acelerada).
As chapas são normalmente tratadas num banho de sal fundido, que possui alta taxa de transmissão de calor e fornece suporte ao metal, prevenindo possíveis deformações em altas temperaturas. Fornos com circulação de ar forçado são geralmente utilizados para perfis extrudados, tubos, forjados e peças fundidas.
Entre os efeitos de um tratamento térmico completo, estão um aumento substancial nos limites de escoamento e de resistência à tração e uma redução da ductilidade. Normalmente, o tratamento térmico é precedido de uma operação de conformação severa, se for necessária. A maior parte das conformações pode ser feita antes do tratamento de solução, com um acerto 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.