ALUMNIO E SUAS LIGAS

Marcelo J. Cividini

Maikol Kock

Maicon Gasperin

Marco A. Davila Gabriel

1. OBJETIVO

O alvo deste trabalho demonstrar a utilizao do

alumnio e suas ligas;

As Matria Prima;

Caractersticas mecnicas, diagramas de fases,

processamento e aplicaes;

2. INTRODUO

O alumnio, apesar de ser o terceiro elemento mais

abundante na crosta terrestre, o metal mais jovem

usado em escala industrial.

Ceramistas da Prsia j produziam seus vasos com

um tipo de barro que continha xido de alumnio, que

hoje conhecemos como alumina.

O alumnio, por suas excelentes propriedades fsico-qumicas entre

as quais se destacam:

baixo peso especfico;

resistncia corroso;

alta condutibilidade trmica e eltrica;

infinita reciclagem;

Apresenta uma ampla variedade de utilizao, que o torna o metal

no-ferroso mais consumido no mundo.

3. MATRIA PRIMA

O alumnio no encontrado diretamente em

estado metlico na crosta terrestre.

Sua obteno parte da Minerao da bauxita

e segue para as etapas posteriores de:

Refinaria

Reduo.

3.1 Bauxita

Um minrio que pode ser encontrado em trs

principais grupos climticos: o Mediterrneo, o

Tropical e o Subtropical.

A bauxita deve apresentar no mnimo 30%

de xido de alumnio (Al2O3) aproveitvel para

que a produo de alumnio seja

economicamente vivel.

3.2 Bauxita no Brasil

O Brasil o terceiro maior produtor de Minrio de

Bauxita com produo estimada em 26,6 milhes de

toneladas em 2008.

Isto significa 13% da produo mundial, que foi de

205 milhes de toneladas.

A Austrlia lder em produo, com 64 milhes

de toneladas em 2007, que correspondem a 33% da

produo global, seguida da china com 17%.

3.3 Mapa de extrao da Bauxita

Foto 1 : Minerao de bauxita em milhes de toneladas mtricas por ano.

3.4 Localizao da Indstria

3.5 Refinaria

De quatro a sete toneladas mtricas de bauxita = 2

toneladas mtricas de alumina = 1 tonelada mtrica de

alumnio.

Alm da alumina, a bauxita contm slica, xido de

ferro e dixido de titnio.

Para extrair a alumina da bauxita, emprega-se o

processo Bayer.

3.5.1 Processo de Bayer

Figura 3: Processo Bayer.

3.5.2 Reduo do Alumnio

So necessrias duas toneladas de alumina para

produzir uma tonelada de metal primrio pelo

processo de Reduo.

3.5.3 Processo de Reduo

O processo de reduo conhecido como Hall-Hroult e

segue as seguintes etapas abaixo.

o A alumina dissolvida em um banho de criolita fundida e

fluoreto de alumnio em baixa tenso, decompondo-se em

oxignio;

o O oxignio se combina com o nodo de carbono, desprendendo-

se na forma de dixido de carbono, e em alumnio lquido, que

se precipita no fundo da cuba eletroltica;

o O metal lquido (j alumnio primrio) transferido para a

refuso atravs de cadinhos;

o So produzidos os lingotes, as placas e os tarugos de metal

primrio.

4.5.4 Esquema de Reduo

Figura 2: Transformao da alumina calcinada em alumnio metlico.

4. CARACTERSTICAS DO ALUMNIO

4.1 Caractersticas Qumicas e Fsicas

Ponto de fuso: O alumnio possui ponto de fuso de 660C,

o que relativamente baixo comparado ao do ao, que da

ordem de 1570C.

Peso especfico: A leveza uma das principais caractersticas

do alumnio. Seu peso especfico de cerca de 2,70 g/cm3,

aproximadamente 5% do peso do ao e 30% do peso do cobre.

Resistncia corroso: O alumnio possui uma fina e invisvel camada de

xido, a qual protege o metal de oxidaes posteriores. Essa caracterstica de auto-

proteo d ao alumnio uma elevada resistncia corroso.

Condutibilidade eltrica: O alumnio puro possui condutividade eltrica de

62% da IACS (International Annealed Copper Standard), a qual associada sua

baixa densidade significa que um condutor de alumnio pode conduzir tanta

corrente quanto um condutor de cobre que duas vezes mais pesado e

proporcionalmente mais caro.

Condutibilidade trmica: O alumnio possui condutibilidade trmica 4,5

vezes maior que a do ao.

Refletividade: O alumnio tem uma refletividade acima de 80%, a qual

permite ampla utilizao em luminrias.

Propriedade anti-magntica: Por no ser magntico, o alumnio

frequentemente utilizado como proteo em equipamentos eletrnicos. Alm

disso, o metal no produz fascas, o que uma caracterstica muito importante

para garantir sua utilizao na estocagem de substncias inflamveis ou

explosivas, bem como em caminhes-tanque de transporte de combustveis.

Caracterstica de barreira: O alumnio um importante elemento de

barreira luz, tambm impermevel ao da umidade e do oxignio,

tornando a folha de alumnio um dos materiais mais versteis no mercado de

embalagens.

Reciclagem: A caracterstica de ser infinitamente reciclvel, sem perda

de suas propriedades fsico-qumicas uma das principais vantagens do

alumnio.

O alumnio tem boa resistncia aos seguintes meios

corrosivos:

o Oxignio, gua oxigenada;

o cido ntrico (para concentraes acima de 95%, em

temperatura ambiente), amnia e compostos amoniacais;

o lcoois, steres, teres, cetonas, aminas, cidos

orgnicos em geral, hidrocarbonetos e outros produtos

orgnicos (todos em temperatura ambiente);

o Enxofre, H2S, SO2;

o CO, CO2;

o Acetileno, HCN, amnia.

O alumnio atacado por:

cidos como HCl, HF, H2SO4, etc.;

soda custica;

solues fortemente alcalinas;

os cloretos, hipocloritos, solventes clorados, em meio

aquoso podem romper a passividade, causando corroso sob

tenso;

a passividade tambm rompida por ons de ferro,

mangans e cobre, sendo necessrio nfimas quantidades (0,1

ppm) para provocar corroso alveolar (forma de corroso mais

comum no alumnio e ocorre para meios com Ph entre 4,5 e

8,5, fora desses limites no h destruio do filme passivador).

4.2 Propriedades fsicas tpicas

Propriedades fsicas Alumnio Ao Cobre

Densidade (g/cm) 2,70 7,86 8,96

Temperatura de fuso (C) 660 1500 1083

Mdulo de elasticidade (MPa) 70000 205000 110000

Coeficiente de dilatao trmica(L/C);

23.10-6 11,7.10-6 16,5.10-6

Condutibilidade trmica a 25C (Cal/cm/C)

0,53 0,12 0,94

Condutibilidade eltrica (%IACS) 61 14,5 100

Tabela 1: Propriedades tpicas do alumnio.

4.2.1 Como alterar as propriedades do Al

Encruamento

Refino de gro

Soluo slida -> ligas de Al

5. RESISTNCIA MECNICA

O Al puro (99,99%) tem baixa resistncia mecnica

Resistncia trao:

o Al puro= 6 kg/mm2

o Al comercial= 9-14 kg/mm2

Elementos de liga, trabalho a frio e tratamento trmico,

aumentam a resistncia trao (60 kg/mm2).

Muitas de suas ligas so facilmente conformadas em virtude

da alta ductilidade; isto evidenciado pela fina folha da lmina de

alumnio em que o material relativamente puro pode ser laminado.

Tem uma estrutura CFC, sua ductilidade retida mesmo em muito

baixas temperaturas.

A limitao principal do alumnio a sua baixa temperatura de

fuso 660C, que restringe a temperatura mxima na qual ele pode

ser usado.

A resistncia mecnica do alumnio pode ser melhorada

por trabalho a frio e por adio de elemento de liga;

Os principais elementos de liga incluem cobre, magnsio,

silcio, mangans, zinco, titnio, nquel, cobalto entre outros.

Ligas no tratveis termicamente consistem de uma nica

fase, para a qual um aumento em resistncia mecnica

alcanado por endurecimento por soluo slida.

Outras ligas so tornadas termicamente tratveis (capazes

de serem endurecidas por precipitao) como um resultado da

adio de elemento de liga.

6. LIGAS DE ALUMNIO

Passam por processos de:

laminao,

extruso,

forjamento,

estiramento.

Ligas tratveis trmica ou mecanicamente

Termicamente:

o Al-Cu

o Al-Zn-Mg

o Al-Si-Mg

Endurecimento tratamento a frio:

o Al-Mg

o Al-Si

Ligas para fundio:

o Al-Si

o Al-Cu

o Al-Si-Cu/Mg

o Al-Mg

o Al-Sn

6.1 Classificao das Ligas

Principal elemento de liga Trabalhadas Fundidas

Puro (99%Al) 1XXX 1XXX0

Cobre 2XXX 2XXX0

Mangans 3XXX ---------

Silcio 4XXX 4XXX0

Magnsio 5XXX 5XXX0

Magnsio + Silcio 6XXX 6XXX0

Zinco 7XXX 7XXX0

Ltio 8XXX ----------

Sem Uso --------- 9XXX0

7. Diagrama de fase Liga 2024, com 4,4% em peso de Cobre (548C).

Tem

per

atu

ra (C

)

Percentual em peso de Cobre4,4%

Solubilizao

Envelhecimento

Resfriamento Rpido

Resfriamento

Rpido

Envelhecimento

Liga 2024, com 4,4% em peso de Cobre (548C).L

imit

e d

e es

coam

ento

(M

pa)

Tempo de envelhecimento a 150C

Ilustrao do processo de solubilizao das amostras na temperatura ambiente, a

540C e em seguida submetidas ao processo de tratamento trmico, resfriada em gua.

Do ponto em seguida inicia-se o processo de envelhecimento natural da liga 6101 no

decorrer do tempo.

Ligas Al-Si - 413.0 / 360.0 / 380.0

8. AS REAS DE APLICAO DO

ALUMNIO E OS SEUS PRODUTOS

Os principais setores que consomem alumnio so:

Bens de consumo

Transporte

Construo Civil

Embalagens

Outros setores

Bens de consumo

o Utenslios domsticos, cadeiras e mesas de praia e jardim,

bicicletas, escadas, objetos de decorao e etc...

Transportes

o Furges, nas carrocerias abertas, nos tanques

rodovirios, nos vages ferrovirios, nas carrocerias de

nibus e na substituio de peas mais pesadas por peas

mais leves no setor automotivo.

Construo Civil

o Revestimentos internos e externos, telhas, divisrias, forros e

em muitos detalhes de concepes arquitetnicas modernas.

Embalagens

o Fabricadas a partir de folhas e laminados, so empregadas

para os mais variados tipos de consumo, com o objetivo de

atender os mercados de produtos farmacuticos, de higiene e

limpeza, produtos alimentcios e bebidas.

Outros setores

o Indstrias de transformao, qumica em geral, papeleira,

metalrgica e petroqumica, para produo de refratrios,

revestimentos cermicos, abrasivos, vidros, porcelanas, massas de

polimento, tintas, isoladores eltricos, pastilhas de freio, corantes e etc.

A grande maioria dos produtos finais citados anteriormente

pertencentes as reas de aplicao do alumnio advm dos seguintes

produtos semimanufaturados:

Perfis extrudados

Chapas e laminados

Folhas

Fundidos e Forjados

9. Curiosidades

Ateno recente tem sido dada s ligas de alumnio e outros

metais de baixa densidade (por exemplo, Mg e Ti) como materiais

de engenharia para transporte, para efetuar redues no consumo de

combustveis.

Uma importante caracterstica destes materiais a resistncia

especfica, que quantificada pela razo resistncia trao-massa

especfica.

Uma gerao nova de ligas de alumnio-ltio foi desenvolvida

recentemente para uso nas indstrias aeronutica e aeroespacial.

Esses materiais possuem massas especficas relativamente

baixas (entre 2,5 e 2,6 g/cm3), mdulos especficos elevados

(razes mdulo de elasticidade-peso especfico) e excelentes

propriedades em fadiga e de tenacidade a baixas temperaturas.

Algumas dessas ligas podem ser endurecidas por

precipitao.

Entretanto, esses materiais so de fabricao mais cara do

que as ligas de alumnio convencionais, pois so exigidas

tcnicas de processamento especiais devido reatividade

qumica do ltio

Concluso

Com o presente trabalho apresentado pode-se concluir

que o Alumnio mesmo sendo o terceiro recurso natural mais

abundante na superfcie terrestre, comeou a ser explorado em

larga escala h pouco tempo j que sua obteno

relativamente difcil. Largamente utilizado em praticamente

todas as reas, desde industrial ate aeroespacial, j que pode

ser misturada com os mais variados elementos qumicos,

formando assim muitos tipos de ligas, cada uma com suas

caractersticas especificas para cada aplicao torna o alumnio

o metal mais utilizado atualmente.

RefernciasINTRODUO. William D. Callister, Jr. John Wiley & Sons Inc, New York, NY, 1991. MATERIALS

SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction

HISTRIA do alumnio. Disponvel em : .

Acesso em: fevereiro 2014.

MATRIA prima.. Disponvel em : . Acesso em

fevereiro 2014.

PROCESSOS de produo. Disponvel em: .

Acesso em fevereiro 2014.

CARACTERSTICAS qumicas. Disponvel em: . Acesso em fevereiro 2014.

APLICAES. Disponvel: . Acesso em fevereiro 2014.

LOCALIZAO indstria. Disponvel em: .

Acesso em fevereiro 2014.

DIAGRAMAS fases. Disponvel em: < http://demec.ufpr.br/ >. Acesso em fevereiro 2014.