Alumínio e suas ligas Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng E-mail: pavanati@ifsc.edu.br ProIn II...

Alumínio e suas Alumínio e suas ligasligas

Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. EngProf. Henrique Cezar Pavanati, Dr. EngE-mail: pavanati@ifsc.edu.br

ProIn II – Mecânica IndustrialProIn II – Mecânica Industrial

Instituto Federal de Santa CatarinaCampus de FlorianópolisDepartamento Acadêmico de Metal-MecânicaCurso Técnico de Mecânica Industrial – ProIn II

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS NÃO-FERROSOS

1. Resistência à corrosão2. Facilidade de fabricação3. Alta condutividade elétrica e térmica4. Baixo peso5. Cor

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS NÃO FERROSAS

Ligas leves

Ligas resistentesà corrosão

Ligas baixo ponto de fusão

Ligas Refratárias

Ligas Al

Ligas MgLigas Be

Ligas Ti

Ligas Zn

Ligas Mo

Ligas WLigas Ta

Ligas NiLigas Cu

Ligas SnLigas Pb

Ligas NbLigas Re

Ligas Cr

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Magnésio (Mg)

Berílio (Be)

Alumínio (Al)

Titânio (Ti)

Zinco (Zn)

Ferro (Fe)

Niquel (Ni)

Cobre (Cu)

Estanho (Sn)

Tungsténio (W)

Densidade (ton/m^3)

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasALUMÍNIO E LIGAS

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Histórico do Alumínio

• Humphrey Davy (1808-1812) – liga ferro-alumínio• Hans Christian (1825) – Peq. Quantidade de Al usando K• Henri Deville (1854) – Maior qde de Al (97%) usando Na• Em 1869 o Al foi produzido em maior quantidade (2 ton)

fazendo seu custo cair de U$ 545,00 para U$ 17,00• Em 1880 ainda era um metal semi-precioso.• Charles Hall produziu alumínio a partir de um processo

eletrolítico.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• Na temperatura ambiente é sólido, sendo o elemento metálico mais abundante da crosta terrestre.

• Sua leveza, condutividade elétrica, resistência à corrosão e baixo ponto de fusão lhe conferem uma multiplicidade de aplicações, especialmente na aeronáutica.

• Necessita de muita energia para ser produzido. No entanto, o baixo custo para a sua reciclagem aumenta o seu tempo de vida útil e a estabilidade do seu valor.

• Forma com o ar uma fina camada superficial de um óxido impermeável e aderente que detém a sua oxidação, proporcionando-lhe resistência à corrosão e durabilidade.

CARACTERÍSTICAS GERAIS

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasRESERVAS E PRODUÇÃO

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasOBTENÇÃO DO ALUMÍNIO

• FASE QUÍMICA – extração do óxido (Al2O3) do minério (bauxita).

• FASE ELETROLÍTICA – eletrólise da alumina dissolvida em um sal fundido.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Bauxita + soda cáustica

Sedimentação

Aluminato de Na

Fase química – Da bauxita à alumina

Precipitação

Alumina hidratada

Óxido de titânio Óxido de silício Óxido de ferro Alumina (óxido de alumínio)

Calcinação

Alumina (Al2O3)

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• A eletrólise exige que a alumina esteja no estado líquido.O ponto de fusão extremamente alto da alumina (2000 °C) torna inviável economicamente a extração do metal. Então, se acrescenta um fundente, a criolita,reduzindo a temperatura da eletrólise para 1000 ºC.

• Atualmente, a criolita já está sendo substituída pela ciolita, um fluoreto artificial de alumínio, sódio e cálcio.

Obtenção do Alumínio Metálico Fase Eletrolítica

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

VIDEO HDTDI (113) 6:23Telecurso (22:10)

Obtenção do Alumínio Metálico

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• Processo de Redução ao Alumínio- pureza: 99,5 a 99,9%

- impurezas Fe e Si (Ga,Ti,V,Cu,Na,Ni,Mn,Zn)

• Refino Eletrolítico - Al refinado- Al comercial é refinado eletroliticamente

- adição de Cl2 que se combina com o H2 do Al líquido

- pureza: 99,9 a 99,99%

- impurezas Fe (Zn, Cu, Mg, Na)

- adição de EL - ligas de Al

• Homogeneização e Laminação

Obtenção do Alumínio Metálico

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasObtenção do Alumínio Metálico

2 ton de Alumina

1 ton de AlumínioPara cada 4,4 ton de Bauxita

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• Elevada Plasticidade - laminados de pouca espessura (embalagens de bombons, panelas, folhas...)

· 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..).

· Elevada Reatividade na forma de pó - Combustível sólido para foguetes e na produção de explosivos

RESUMO DAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Perfis Extrudados

Chapas e laminados

Fios e cabos

Folhas

Fundidos e ForjadosPastas e Pó

Aluminas Especias

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasCOMPARATIVO COM O AÇO

Propriedades Físicas Alumínio Aço

Peso específico (g/cm3) 2,71 7,86

Temperatura de fusão (°C) 655 1300

Módulo de elasticidade (MPa) 69000 205940

Coeficiente de expansão linear (L/°C) 23x106 11,7x106

Condutibilidade térmica 25°C (Cal./cm °C) 0,56 0,12

Condutibilidade elétrica (IACS)% 62,00 14,50

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasPROPRIEDADES QUÍMICAS

• Reage facilmente com o oxigênio

• A adição de qualquer elemento químico prejudica esta resistência à corrosão

• Forma pares galvânicos com os metais mais nobres, como o cobre e o ferro

• Também resistente a atmosferas sulfurosas ou muito úmidas

• É atacado pela maior parte dos ácidos minerais, sobretudo o ácido clorídrico.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasFASES E ESTRUTURA ATÔMICA Al puro

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasMicroestrutura do Al puro

Grãos equiaxiais de Al- (alumínio puro). Aumento 50X. Os pontos escuros são impurezas (Fonte: GFV Voort – 2006).

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTRATAMENTOS TÉRMICOS DO Al PURO

• Para o Alumínio puro não há transformação de fase no estado sólido

• Isto limita a aplicação de tratamentos térmicos de endurecimento como nos aços

• O único tratamento térmico de interesse para o Al-puro é o recozimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasENDURECIMENTO

• Deformação Plástica (encruamento)

• Precipitação (ligas de alumínio)

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasALUMÍNIO E SUAS LIGAS

PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA Cu, Mg, Mn, Si, Zn, entre outros

O objetivo principal de adicionar elementos de liga ao Al é aumentar o seu limite de escoa- mento (e) limite de resistência à tração ( r) e promover o

aumento da dureza

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Por exemplo... Liga Al-Mg

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Ligas para conformação Ligas para fundição

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Devem ser bastante dúcteis para serem trabalhadas a frio ou a quente pelos processos de conformação

mecânica.

Devem ter resistência mecânica, fluidez e

estabilidade dimensional e térmica para suportar os diferentes processos

de fundição.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Ligas para conformação

Não endurecíveispor trat. térmico

Endurecíveis portratamento térmico

Ligas para fundição

Al-CuAl-Cu-SiAl-Mg-SiAl-Zn-CuAl-Li

Al-MgAl-MnAl-Si

SOBRE OS ELEMENTOS DE LIGA

•A % de elementos de liga raramente ultrapassa 15%

•Aumento de resist. por solução sólida – adicionar Mg, Fe, Mn

•Aumento de usinabilidade – Cu•Aumento de resist. corrosão – Si•Aumento fluidez de fundição – Mn, Si

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Cu

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Cu

• Produz considerável endurecimento por solução sólida• Produz considerável endurecimento por precipitação• Resistência à tração similar aos aços baixo carbono• Melhor usinabilidade• Relação resistência/peso muito boa (aplicação

aeronáutica)• Temperatura de trabalho até 150 ºC

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Ligas importantes %Cu Aplicações

2011 5,5 %(+0,4Bi+0,4Pb)

Parafusos

2025 4,5 %(+0,8Si+0,8Mn)

Produtos aeronáuticos, peças forjadas

2219 6,3 %(+0,3Mn+0,1V…)

Uso em temperaturas até 380ºC Peças soldadas para

aplicações criogênicas

LIGAS Al-Cu

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTratamento térmico das LIGAS Al-Cu

Para uma liga Al-4%Cu ter maior endurecimento por precipitação é necessário fazer:

1. Solubilizar o Cobre (fase ) – aquecer em torno de 515 ºC;2. Resfriar rapidamente até temperatura ambiente

(“temperar”)3. Reaquecer entre 130 e 190 ºC (“envelhecimento”)4. Resfriar ao ar

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Cu

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasEnvelhecimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasMicroestruturas das LIGAS Al-Cu

Al – 4 % Cu

Precipitados finos em solução (552 °C por 1 h, temperado em

água e reaquecido a 316 °C por 1 h e resfriado ao ar).

Al – 4 % Cu

Precipitados de fase θ.

20 µm 10 µm

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Mg

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Mg

• Podem ser endurecidas por precipitação (pouco interessante) ou por encruamento

• As ligas comerciais contém mais de 4% de Mg (bifásicas - Al- + Al3Mg2-)

• As ligas Al-Mg são excelentes para soldagem• As ligas Al-Mg são excelentes para ambientes

marinhos (salinos) – Fabricação de barcos, carroceria de ônibus, etc..

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Mn

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Mn

• O Mn adicionado ao alumínio faz aumentar a resistência à tração em até 20%, sem comprometer a sua conformabilidade

• Possui elevada resistência à corrosão e boas propriedades elétricas

• Uma das aplicações desta liga é na fabricação de latinhas de refrigerante

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasLIGAS Al-Si

Diagrama de fase eutético

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• A liga Al-Si apresenta baixo ponto de fusão• Baixa resistência à corrosão• Liga mais adequada para produção de peças fundidas• Material de adição (enchimento) em processos de

soldagem ou brasagem• Pode-se adicionar outros elementos de liga (Mg p/ ex)

para melhorar a resistência à corrosão;• Boa conformabilidade, usinabilidade.• Usadas na construção civil, fios para cabos de alta

tensão, • Ligas Al-Cu ou Al-Mg2Si são as do tipo Duralumínio

LIGAS Al-Si

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasMicroestrutura das LIGAS Al-Si

Al – 12% Si – 0.3% Mg)

Laminado

Al – 10% Si (hipoeutético)

Fundido

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasElementos de liga - SÍNTESE

Elemento de liga

Percentagem Típica

Vantagem Desvantagem

Cu 3 a 11% - confere alta resistência mecânica

- facilita trabalho de usinagem

- diminui resistênciaà corrosão salina

- fragilidade a quente Si 12 a 13% - aumenta fluidez na fundição

- reduz coeficiente de dilatação

- melhora a soldabilidade

- diminui usinabilidade

Mg > 8% - confere alta soldabilidade - aumenta resistência a

corrosão em meio salino - possibilita tratamento

térmico de ligas de Al-Si (melhora das características mecânicas)

- dificulta fundição devido a oxidação (borra) e absorção de impurezas (Fe e outros)

Zn 0,05 a 2,2% - sempre associado ao Mg - confere alta resistência

mecânica - ligas auto temperantes - aumenta dutilidade

- diminui resistênciaà corrosão salina

- fragilidade a quente - alta contração em

fundição Mn 0,5 a 10,7% - como corretor

- aumenta resistência mecânica a quente

- pequena diminuição da dutilidade

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   XXXX - ligas para conformação

X1 elemento majoritário da ligaX2 zero se é liga normal (controle de impurezas)

1, 2 e 3 indica uma variante específica da liga normal (como teor mínimo e máximo de um determinado elemento)

X3 e X4 são para diferenciar as várias ligas do grupo São arbitrários

Para alumínio puro indicam o teor de alumínio acima de 99%

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   Exemplo 1

Liga 10351 – alumínio comercialmente puro0 – sem controle de impurezas35 – 99,35% de alumínio

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   Exemplo 2

Liga 54705 – Liga Al-Mg4 – com controle especial de impurezas70 – é a liga número 70 da série

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   XXX.X – Ligas Fundidas

X1 elemento majoritário da ligaX2 e X3 Indica a série da liga ou a pureza

(para Al-puro)X4 Indica a forma do produto:

0 – fundido, 1 – lingote ou 2 - reciclado

AS LIGAS DE FUNDIÇÃO TAMBÉM PODEM SE SUB-DIVIDIR EM LIGAS TRAT. TERMICAMENTE E NÃO TRATÁVEIS TERMICAMENTE

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   Exemplo 3

Liga 319.03 – Al + Si/Cu ou Mg19 – Liga número 19 da série0 – Peça fundida

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

   Exemplo 4

Liga 580.13 – Al + Mg70 – Liga número 70 da série 1 – Lingote

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Ligas para conformação 1xxx - Al puro ( >99,00%) 2xxx - Al - Cu 3xxx - Al - Mn 4xxx - Al - Si 5xxx - Al - Mg 6xxx - Al - Mg - Si 7xxx - Al - Zn

Ligas Fundidas 1xx.x - Al puro ( >99,00%) 2xx.x - Al - Cu 3xx.x - Al - Si - Cu ou Mg 4xx.x - Al - Si 5xx.x - Al - Mg 7xx.x - Al - Zn 8xx.x - Al - Pb

Designação condições de fornecimento F - como fabricado - sem controle O - recozido/recristalizado - <LR e >D H - endurecido T - tratamento térmico

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• “F” COMO FABRICADO, NÃO SOFREU TRATAMENTO NENHUM

• “O” SOFREU RECOZIMENTO PARA RECRISTALIZAÇÃO PARA ELIMINAR O ENCRUAMENTO

• “H” LIGAS QUE SOFRERAM TRATAMENTO MECÂNICO PARA ENCRUAMENTO

• “T” LIGAS QUE SOFRERAM TRATAMENTO TÉRMICO

• “W” SOLUBILIZADA E ESTOCADA

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• “H” LIGAS QUE SOFRERAM CONFORMAÇÃO PARA ENCRUAMENTO

HXX• X1= 1, 2, 3 refere-se as operações sofridas

• 1 – Encruado somente• 2 – Encruado e parcialmente recristalizado• 3 – Encruado e estabilizado

• X2= 2,4,6,8 dá o grau de encruamento

Tratamento mecânico

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• X2 (...continuação)• 2 1/4 duro 6 3/4 duro • 4 1/2 duro 8 duro

• “H12” 1/4 duro (somente encruamento)• “H14” 1/2 duro (somente encruamento)• “H16” 3/4 duro (somente encruamento)• “H18 duro (somente encruamento)• “H19” extra-duro (somente encruamento)• “H22, H24” encruado e depois recozido parcialmente• “H32, H34” encruado e então estabilizado

Tratamento mecânico

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Esfriada de uma temperatura elevada de um processo de conformação mecânica e envelhecida naturalmente.

Recozida (ligas de fundição)Tratada termicamente para solubilização e então

trabalhada a frio. Tratada termicamente para solubilização e então

envelhecida a temperatura ambiente. Envelhecida artificialmente (sem TT). Apenas

esfriado do estado de fabricação.

Tratamento térmico

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente

Tratado por solubilização e então estabilizado. Tratado por solubilização, trabalhado a frio e

envelhecido artificialmente Tratado por solubilização envelhecido

artificialmente e encruado por trabalhado a frio. Envelhecido artificialmente (sem tratamento

prévio) e trabalhado a frio.

Tratamento térmico

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

• Recozimento para recristalização, alívio de tensões e homogeneização

• Solubilização• Precipitação ou envelhecimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

Recozimento de alívio de tensões

T = 130-150 oCTempo depende da espessura da peça

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• T= 300-400 oC• recristalização: para ligas laminadas,

extrudadas• homogeneização: peças fundidas (para

difundir os microconstituintes)

TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

Recozimento para recristalização e homgeneização

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• Dissolve as fases microscópicas.• Temperatura= depende da liga

TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

Solubilização

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• Consiste na precipitação de outra fase, na forma de partículas extremamente pequenas e uniformemente distribuídas.

• Esta nova fase endurece a liga. • Após o envelhecimento o material terá

adquirido máxima dureza e resistência mec.

TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

Envelhecimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 (A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 ())

Solubilização5,65%

TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

Envelhecimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Solubilização

Precipitação

Resfriamento em água

Chamado de envelhecimento que pode sernatural ou artificial

A ppt se dá a T ambiente

A ppt se dá acima da T ambiente por reaqueci-mento

TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE AlSolubilização seguida de envelhecimento

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

Ligas envelhecidas artificialmente

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTratamento de Anodização - Características

Consiste em reforçar a camada de oxidação por processo eletrolítico (4-100 µm)

A peça de Al a ser tratada é o ânodo (onde ocorre a oxidação)

O íon oxidante que se libera sobre a peça pode ser impregnado com corantes.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTratamento de Anodização

Pigmento

Eletrólitoácido sulfúrico

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTratamento de Anodização

Vista lateral (fraturada) Vista superior (poros)

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasTratamento de Anodização

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

• 100% reciclável• Mantém características físico-químicas infinitamente• Usa apenas 5% da energia utilizada para obter alumínio

primário (15 kWh/kg ---- 0.750 kWh/kg)• Para cada tonelada reciclada, evita-se o uso de 5

toneladas de bauxita• Tem alto valor residual, incentivando a coleta• No Brasil, estima-se que cerca de 150 mil pessoas

tenham a coleta de latas de alumínio como principal fonte de renda

• Reciclagem é um exemplo vivo de consciência ambiental

Reciclabilidade do alumínio (Alumínio secundário)

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasCuriosidades – Latinha de alumínio

• 67 latinhas de alumínio correspondem a 1 kg.

• No Brasil são consumidas 51 latas de alumínio por habitante por ano, enquanto nos Estados Unidos esse número chega a 375 latas por habitante.

• Uma lata de alumínio demora mais de 100 anos para se decompor na natureza.

• Em 2002, cerca de 150 mil pessoas obtinham renda a partir do recolhimento de latas no Brasil, recebendo entre R$ 360 e R$ 720.

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Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasReciclagem Alumínio