Alumínio e suas ligas
Introdução
O alumínio é um elemento muito abundante na
natureza, onde aparece sob variadíssimas formas, sendo as bauxites (óxidos hidratados de alumínio), os minerais mais
utilizados na sua produção industrial.
Este minerais
contém cerca de 40 a 60% de alumínio, sendo a parte restante formada por
impurezas tais como, óxidos de ferro, de silício,
de cálcio e de titânio.
O alumínio,
metal já conhecido na antiguidade egípcia,
só no século XX passou a ser utilizado industrialmente em grande escala. Este atraso
deveu-se a grande afinidade deste elemento com o oxigênio, o que tornava impraticável a redução dos seus óxidos pelo
carbono.
O processo
que permite isolar este metal realiza-se em duas fazes:
1° tratamento da bauxite para eliminação de
impurezas do óxido hidratado em óxido de alumínio ou alumina;
2° produção
do alumínio a partir da alumina por um processo eletrolítico.
Para a
obtenção eletrolítica do alumínio, dissolve-se a alumina em criolite, o que
origina no abaixamento do ponto de fusão da alumina, que passa de 2000°C para
cerca de 1000°C. esta operação permite realizar o processo eletrolítico a
partir de uma solução a menor temperatura (aproximadamente 1000°C)
A passagem
de uma corrente continua através da solução provoca a libertação do alumínio.
O alumínio
vai depositar-se no cátodo, enquanto o oxigênio se dirige para o ânodo.
O alumínio
assim obtido, é bastante puro, contendo impurezas vereáveis entre 0,3 e 1%.
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:
- indústria de equipamentos e
maquinaria
- cabos e componentes elétricos;
- construção civil (fachadas, pontes,
tanques de estancagem)
- Indústria automobilística;
- Embalagens para medicamentos e alimentos,
etc.
Características do alumínio
As principais
características do alumínio são:
- Baixo peso – o alumínio apresenta uma densidade de 2,7g/cm3.
- Boas características de condutibilidade elétrica
e térmica – de 50 a 60% da
condutibilidade do cobre, sendo vantajoso seu emprego em trocadores de calor,
evaporadores, aquecedores, etc.
- Elevada ductilidade- permitindo conformação de componentes com
elevados valores de deformação
- Resistente a corrosão – à corrosão atmosférica, à corrosão em meio
aquoso, à oleos diverso.
- Não é magnético – característica importante para aplicações eletroeletrônica.
- baixo ponto de fusão - a principal limitação do alumínio é a sua
baixa temperatura de fusão (660 °C), o que limita a temperatura de trabalho das
suas ligas;
- Não tóxico – o alumínio não é tóxico e, portanto, é largamente empregado em
embalagens;
- baixa resistência mecânica no estado puro,
podendo ser empregados os seguintes elementos de endurecimento:
1. Endurecimento
por solução solida (ligas não tratáveis);
2. Endurecimento
por dispersão de partículas (ligas não tratáveis);
3. Endurecimento
por encruamento (ligas não tratáveis);
3. Endurecimento
por dispersão de partículas coerentes ou submicroscópicas (ligas tratáveis termicamente).
Elementos de ligas do alumínio
O alumínio
forma ligas combinando-se com os seguintes elementos:
-
Cobre (Cu); Magnésio (Mg); Silício (Si); Manganês (Mn) e Zinco (Zn).
De acordo
com a sua aplicação, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos:
Ligas para trabalhos e conformação
–
ligas destinadas à fabricação de produtos semiacabados, como laminados planos
(placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames)
perfis extrudados e componentes forjados.
Ligas para fundição
– 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 endurecíeis 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 endurecíeis por
precipitação (conformáveis ou fundidas).
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.
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].
O hidróxido
de alumínio [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 eletrolisado em células eletrolíticas de
carbono, usando como ânodo e cátodo eletrodos de carbono.
No processo de eletrólise, 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
99,5 a 99,9% de alumínio, tendo, como impurezas, principalmente, ferro e silício.
Tratamentos térmicos das ligas do 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;
- 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, estabilidade, entre
outras.
Na
laminação a quente, este tratamento pode ser executado concomitantemente ao aquecimento
das placas.
Solubilização/envelhecimento
Esse
tratamento dá às ligas que respondem a ele uma maior resistência mecânica. O
processo é o seguinte:
- 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, 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. 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 frequentemente aplicada em rebites para
a indústria de aviação.
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 consequente tendência
de ser desenvolvido o defeito "casca de laranja" nos trabalhos subsequentes
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, 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 matéria.
O duralumínio
Os
duralumínios são um conjunto de ligas metálicas de forja de alumínio, cobre (1,5%-4,5%) e magnésio
(0,45%-1,5%), assim como manganês
(0,6%-0,8%) e silício (0,5%-0,8%) como elementos secundários. Pertence à
família das ligas metálicas alumínio-cobre.
Os
duralumínios apresentam uma elevada resistência mecânica a temperatura
ambiente, entretanto, sua resistência a oxidação, soldabilidade e aptitude para
a anodização são baixas. São empregados na indústria aeronáutica e
automobilística.
Amplamente
utilizado em materiais (equipamentos) de montanhismo tais quais mosquetões,
freios, etc.