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SELEÇÃO DOS MATERIAIS

Alumínio e Suas Ligas

Universidade Federal Fluminense (EEIMVR) - 2009Professor: Carlos Sergio da Costa VianaAlunos: Sérgio Ricardo C. de Mello, Camila Oliveira

de Souza, Natalie Lacerda Citeli

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ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

INTRODUÇÃO

O alumínio metálico é obtido pela redução eletrolítica da alumina (Al2O3)dissolvida em criolita líquida. O processo, chamado de Hall-Herolut foidesenvolvido em 1886 de maneira independente por Charles Hall (EstadosUnidos) e Paul Heroult (França). As primeiras aplicações do alumínio foramobjetos de decoração como molduras de espelhos, travessas e utensíliosdomésticos. Com o tempo, cresceu a diversidade das aplicações do alumínio,de maneira que, praticamente, todos os aspectos da vida moderna sãoafetados 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% dacondutividade 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 decomponentes 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.

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TIPOS DE LIGAS

Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluemcombinações dos seguintes elementos:

Cobre (Cu); Magnésio (Mg); Silício (Si); Manganês (Mn) e Zinco (Zn).

De acordo com o produto a ser feito, as ligas de alumínio podem serdivididas em dois grupos:

LIGAS PARA TRABALHO E CONFORMAÇÃO (wrought alloys) – ligasdestinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminadosplanos (placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barrase arames) perfis extrudados e componentes forjados. .

LIGAS PARA FUNDIÇÃO (cast alloys) – ligas destinadas a fabricaçãode componentes fundidos.

Somando-se as ligas conformáveis e as ligas para fundição, existem maisde 600 ligas reconhecidas industrialmente.

Estes dois grupos se subdividem em:

LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecíveis por meio detratamento térmico;

LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio detratamentos térmicos.

É importante destacar que o termo “tratamento térmico” é, no seusentido mais amplo, qualquer operação de aquecimento ou resfriamentocontrolado realizada para modificar as propriedades mecânicas, estruturametalúrgica ou estado te tensões internas de um produto metálico. Nas ligas dealumínio, o tratamento térmico é restrito a operações específicas utilizadaspara 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 aclassificação das ligas de alumínio.

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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 sódioconforme a reação:

Al2O3 +2NaOH → 2NaAlO2 + H2O (160 – 170ºC)

Após a separação do resíduo insolúvel, constituído principalmente deóxido 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 areação:

NaAlO2 + 2H2O → Al(OH)3 + NaOH

O Al(OH)3 é então refinado, lavado e calcinado à 1100ºC para produçãode 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 comoânodo e cátodo eletrodos de carbono. No processo de eletrólise (processoHall), o alumínio fundido é depositado no estado líquido no cátodo de carbono,revestindo a parte inferior da soleira do lote eletrolítico, sendo que tem maiordensidade. Durante a eletrólise, o oxigênio é liberado pelo ânodo, quando este

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ataca o carbono, e forma CO e CO2. O alumínio fundido é periodicamenteliberado pelas células e tratado no estado fundido, o que promove a remoçãodo excesso de óxido e de outros gases. A célula de liberação do alumíniogeralmente 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 dealumínio.

TRATAMENTO TÉRMICO

As ligas de alumínio que são classificadas em “tratáveis termicamente”,respondem ao tratamento de dissolução. Os principais tipos de tratamentotérmico são:

Homogeneização; Solubilização/Envelhecimento; Recozimento Pleno; Recozimento Parcial; Estabilização.

HOMOGENEIZAÇÃO

É realizado em temperaturas ao redor de 500ºC – dependendo da liga – etem a função de remover ou reduzir as segregações, produzir estruturasestáveis e controlar certas características metalúrgicas, como propriedadesmecânicas, tamanho de grão, estampabilidade, entre outras. Na laminação aquente, este tratamento pode ser executado concomitantemente aoaquecimento das placas.

A Figura abaixo mostra esquematicamente o efeito da homogeneizaçãona microestrutura de uma liga de alumínio com precipitados de uma fase noscontornos de grão.

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SOLUBILIZAÇÃO / ENVELHECIMENTO

Esse tratamento dá às ligas que respondem a ele uma maior resistênciamecânica.

O processo é o seguinte:

O metal é aquecido uniformemente até cerca de 500°C. A temperaturaexata depende de cada liga. O aquecimento ocasiona a dissolução doselementos de liga na solução sólida (tratamento de solução);

Segue-se um resfriamento rápido, geralmente em água, que previnetemporariamente a precipitação dos elementos da liga (a difusão é muito lentana TA), formando uma solução saturada. Esta condição é instável.Gradualmente, as fases constituintes precipitam-se de uma maneiraextremamente fina (sobre lacunas e discordâncias, somente visível porpotentes microscópios), alcançando o máximo efeito de endurecimento(envelhecimento). Em algumas ligas isto ocorre espontaneamente, depois dealguns dias na TA (envelhecimento natural). Em outras, requer-se umreaquecimento por algumas horas a cerca de 175°C (tratamento artificial deprecipitação acelerada).

As chapas são normalmente tratadas num banho de sal fundido, quepossui alta taxa de transmissão de calor e fornece suporte ao metal,prevenindo possíveis deformações em altas temperaturas. Fornos comcirculação de ar forçado são geralmente utilizados para perfis extrudados,tubos, forjados e peças fundidas.

Entre os efeitos de um tratamento térmico completo, estão um aumentosubstancial nos limites de escoamento e de resistência à tração e uma reduçãoda ductilidade. Normalmente, o tratamento térmico é precedido de umaoperação de conformação severa, se for necessária. A maior parte dasconformações pode ser feita antes do tratamento de solução, com um acerto

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posterior para corrigir distorções não previstas que possam ocorrer durante oresfriamento. Porém, preferencialmente, a conformação deve ser feitaimediatamente após o tratamento de solução, antes do envelhecimento.Quando esta conciliação for difícil, é possível retardar o envelhecimentomantendo os componentes resfriados. Essa técnica é freqüentemente aplicadaem 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 rapidamenteocorre o ponto de resistência máxima, porém com um valor de resistênciamenor. Isto se deve ao fato de o coalescimento dos precipitados depender dadifusão das espécies químicas e da concentração de lacunas e, como se sabe,ambas crescem com o aumento da temperatura (processo termicamenteativado).O crescimento das partículas se dá umas às custas das outras, ou seja, váriaspartículas pequenas “coalescem” formando uma maior. Como o volume da faseprecipitada é aproximadamente constante, maiores partículas significa menornúmero delas e maior distância entre elas. Com isso, há menor travamento dasdiscordâncias e, consequentemente, menor resistência mecânica.

Sabe-se: AP =m

Conde C = 0 + e onde

bG.

Aqui, m = fator de Schmid, C = tensão cisalhante crítica, b = vetor de Burger e é o espaçamento entre as partículas. Logo, maior , menor AP.

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SUPERENVELHECIMENTO

O superenvelhecimento é caracterizado pela redução relativa da resistênciamecânica, após um longo tempo de envelhecimento. Quando o tempo deenvelhecimento é superior ao do ponto de resistência máxima, os precipitadoscoerentes da fase θ aumentam de tamanho às custas uns dos outros

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(coalescimento) e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistência mecânica.

Isto está mostrado esquematicamente na Figura abaixo.

Tratamento de solubilização e envelhecimento excessivo de uma liga de Al.

Fotomicrografia de MET mostrando precipitados incoerentes da fase numaliga Al – Cu. ( Al2Cu).

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RECOZIMENTO PLENO

O recozimento pleno é um tratamento térmico em que se obtém as condiçõesde plasticidade máxima do metal (têmpera O), correspondendo a umarecristalização total do material. O processo é o seguinte:

O metal deformado a frio é aquecido, geralmente na faixa de350°C, suficientemente para permitir o seu rearranjo numa novaconfiguração cristalina não deformada;

Este processo de recristalização remove o efeito do trabalho a frio edeixa o metal numa condição dúctil. O recozimento bem sucedidocaracteriza-se somente pela recristalização primária;

Deve-se evitar superaquecimentos que causam coalescência e ocrescimento exagerado dos grãos, também chamada derecristalização secundária, com a conseqüente tendência de serdesenvolvido o defeito "casca de laranja" nos trabalhossubseqüentes de estampagem.

Granulação em função do encruamento e da recristalização

RECOZIMENTO PARCIAL

Este tipo de tratamento térmico corresponde a uma recristalização parcialdo 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 realizadoentre as temperaturas de 200°C a 280°C, dependendo da porcentagem deredução 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

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recuperação (têmperas H3X). Este tratamento alivia a tensão residual dosmateriais encruados e aumenta a resistência à corrosão das ligas de AlMg.

NOMENCLATURA

As ligas de alumínio, segundo a Aluminum Association (AA), sãodivididas nas nove classes a seguir:

1xxx: Série do alumínio puro (99,9%) ou comercial. Destacado pela resistênciaa corrosão, altas condutividades térmica e elétrica. Porém, apresenta baixaresistência 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 adiçãode algum elemento de liga. Se o 2o dígito for 0 (zero), indica que o Al não foiligado e apresenta o limite de impurezas convencional. Os números entre 1 e 9indicam controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adição deelementos de liga.

2xxx: O cobre é o principal elemento de liga. Se receberem tratamentos taiscomo solubilização e envelhecimento, ter-se-ão grandes aplicações naindústria aeronáutica, devido à alta resistência mecânica. Os dois últimosdígitos não possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligasdo mesmo grupo (número seqüencial) O segundo dígito indica modificações nolimite 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 tratáveistermicamente, tendo como principal aplicação os produtos estampados.

4xxx: O silício é o principal elemento de liga. Apresentam baixos pontos defusão e impossibilidade de tratamento térmico. São utilizadas também comomaterial de adição para solda.

5xxx: O magnésio é o principal elemento de liga. Sua aplicação é similar à dasérie 3xxx.

6xxx: Ligas de Al-Mg-Si, tendo como resultado a fase Mg2Si o que tornarápossível o tratamento térmico de solubilização e envelhecimento. Não são tãoresistentes quanto as das classes 2xxx e 7xxx, porém são utilizadas nafabricação de bicicletas, pois podem ser soldadas.

7xxx: Ligas de Al-Zn. Dos tratamentos térmicos, resultam os mais altos índicesde resistência mecânica e tenacidade. Ampla aplicação no setor aeronáutico.

8xxx: O principal elemento de liga é o lítio. São tratáveis termicamente eapresentam alta resistência mecânica específica. Os dois últimos dígitos não

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possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmogrupo (número seqüencial) O segundo dígito indica modificações no limite deimpurezas ou a adição de elementos de liga.

Ligas experimentais também utilizam este sistema de classificação,porém, são indicadas pelo prefixo X.

9xxx: Outras ligas que não foram especificadas anteriormente.

NOMENCLATURA DOS ESTADOS DE ENDURECIMENTO DAS LIGAS

DE ALUMÍNIO

F - fabricado - Refere-se a condição resultante após qualquer tipo deprocessamento (laminação a frio, laminação a quente, fundição e etc.)em que não foram realizados controles sobre a velocidade deresfriamento ou quantidade de encruamento empregados.

O (oh)) - recozido - Nos produtos conformados, refere-se a produtosque sofreram recozimento visando a redução do limite de resistência eaumento de ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimentopara alívio de tensões e estabilidade dimensional.

H - endurecido por encruamento - Refere-se a produtos endurecidos porencruamento, podendo ou não apresentar tratamentos térmicos. Osufixo H é seguido por dois pi mais dígitos:

o H1- produtos conformados que apresentam encruamento e nãosofreram nenhum tratamento suplementar.

o H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para umdeterminado valor de dureza. Os dígitos seguintes a H2 indicam aquantidade de encruamento residual após o produto serparcialmente recozido.

o H3 – produtos encruados e envelhecidos naturalmente para umdeterminado valor de dureza.

T - tratado termicamente - refere-se aos produtos que sofreramtratamentos térmicos visando aumento de resistência. O sulfixo T éseguido por dois pi mais dígitos:

o T1 – produtos resfriados a partir da temperatura de conformaçãomecânica a quente e envelhecidos naturalmente para umacondição de propriedades mecânicas estáveis.

o T2 – produtos resfriados a partir da temperatura de conformaçãomecânica a quente, encruados e envelhecidos naturalmente parauma condição de propriedades mecânicas estáveis.

o T3 – produtos solubilizados, encruados e envelhecidosnaturalmente para uma condição de propriedades mecânicasestáveis.

o T4 – produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente parauma condição de propriedades mecânicas estáveis.

o T5 - produtos resfriados a partir da temperatura de conformaçãomecânica a quente e envelhecidos artificialmente.

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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 1XXXAlumínio 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 sãocaracterizadas pela excelente resistência à corrosão, alta condutibilidadetérmica e elétrica, baixa resistência mecânica e elevada ductilidade.Um aumento moderado na resistência mecânica pode ser obtido por meio deencruamento.

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 éo 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 dealumínio. Sob certas condições estas pode apresentar corrosão intergranular.As ligas desta série apresentam boa usinabilidade e características desoldagem limitadas (exceto a liga 2219).

O primeiro trabalho desenvolvido em liga binária Alumínio-Cobre foi nosEstados Unidos sobre a liga 2025, a qual contém aproximadamente 5,5% deCu. Entretanto a liga 2025, introduzida em 1926, está limitada ao uso paramateriais forjados. A liga 2219, que contém 6,3% Cu e foi desenvolvida em1954, tem substituído em muitos casos a liga 2025. A liga 2219 apresentamaior e mais alto campo de resistência, assim como uma boa soldabilidade,superior resistência a tensão de corrosão e melhores propriedades a elevadastemperaturas.

Veja abaixo o diagrama de fases Al-Cu com fases e composições:

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Aplicações:

Componentes com elevada relação resistência/peso, sujeitos atemperaturas 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 dasérie 8XXX em aeronave comercial e em aeronave militar.

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ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO DA LIGA ALUMÍNIO-COBRETRATADA TERMICAMANTE.

Para alcançar o máximo efeito de endurecimento por precipitação (semdeformação a frio), a liga alumínio-cobre precisa ser:

1. Solubilizada no campo da fase da solução sólida-α (aprox. 5150C);2. Resfriada rapidamente até temperatura ambiente ou abaixo desta;

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3. Envelhecida artificialmente entre as temperatura de 130 à 1900C (em estufa).

EVOLUÇÃO DA MICROESTRUTURA-tempo de envelhecimento

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As ligas alumínio-cobre trabalháveis mais importantes, em uso atualmente, sãoas ligas 2025, 2219 e 2011.

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A liga 2219, introduzida em 1954, contém 6,3% Cu, 0,3% Mn, 0,25% Zr,0,1% V e 0,06% Ti. Esta liga tem um grande alcance de resistência (25 a 69ksi), boa soldabilidade, boa resistência a corrosão sob tensão e excelentespropriedades a elevadas temperaturas para uma liga de alumínio. A estruturada liga 2219 nas condições de endurecimento por envelhecimento é mostradana figura abaixo e consiste essencialmente de precipitados.

O excesso de CuAl2, θ, que não é dissolvido durante o tratamentotérmico de solução (máxima solubilidade do Cu no Al é 5,65%) se mantémessencialmente, sem mudanças durante o aquecimento e resfriamento e éesperado um aumento na resistência da liga.

Pelo tratamento termomecânico apropriado, o limite de resistência àtração da liga 2219 pode ser aumentada para 69 ksi. O aumento daprecipitação na liga pode ser produzido por endurecimento por deformaçãodepois do tratamento térmico e antes do envelhecimento artificial. O aumentoda densidade de precipitado causado por endurecimento por deformação érefletido no aumento de resistência obtida no tratamento T8 da liga 2219.

A presença de Mn, Zr, V e Ti na liga 2219 elevam a temperatura derecristalização que atribuirá maior resistência a elevadas temperaturas.

Uma modificação base de alta pureza da liga 2219, que a liga 2419 foiintroduzido em 1972. A liga 2419, com mais baixos níveis de ferro (0,18 % nomáximo) e silício (0,15% no máximo.), tem maior tenacidade à fratura paraaplicações estruturais de aeronaves.

A liga trabalhada alumínio-cobre 2011 com 6.5% Cu, 0,04% Bi e 0,04%Pb têm sido a liga básica de alumínio para tornos, desde que foi introduzida em1934. Ela tem boas características de corte e produtos de boa qualidade,cavacos facilmente quebradiços durante a usinagem. O chumbo e o bismuto,entretanto, diminuem a resistência à corrosão na liga Al-Cu para algumasextensões.

LIGAS DE ALUMÍNIO-COBRE-MAGNÉSIO:

As ligas alumínio – cobre – magnésio endurecidas por precipitação foramas primeiras a serem descobertas. A tabela apresentada abaixo lista as

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composições químicas e aplicações típicas para as mais importantes ligas deAl-Cu-Mg.

A adição de Mg para as ligas de Al-Cu acelera e intensifica oendurecimento por precipitação na liga de Al-Cu. Apesar de ter sido uma dasprimeiras ligas a ser descoberta, os detalhes dos processos de precipitaçãodas ligas Al-Cu-Mg não são completamente entendidos. A seqüência deprecipitação geral para essas ligas acredita-se ser:

Solução sólida supersaturada → zonas GP → S` (Al2CuMg) → S (Al2CuMg)

Acredita-se que as zonas GP são formadas em estágios anteriores aoenvelhecimento a baixas temperaturas, porém sua forma e tamanho não sãofirmemente estabelecidos.A aceleração do processo de envelhecimento naturalnas ligas de Al-Cu, pela adição de Mg, pode ser feito em parte com umacréscimo na taxa de difusão feito possivelmente pela compensação dosmaiores átomos de Mg em relação aos menores átomos de Cu. Os átomos deMg também poderiam aliviar algumas tensões associadas com os átomos deCu no Al. O efeito dos átomos de Mg, entretanto, podem ser acelerados naszonas de crescimento.

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As propriedades mecânicas das ligas Al-Cu-Mg trabalhadas maiscomuns são listadas na tabela seguinte.

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As propriedades das ligas Al-Cu-Mg trabalhadas e tratadastermicamente são grandemente afetadas pela temperatura de solubilização,como ilustrado pelas propriedades de resistência de endurecimento porprecipitação da liga 2014 no tratamento T4 e T6, conforme figura abaixo.

Se a temperatura de solubilização é baixa, as fases de endurecimentonão são completamente dissolvidas antes do resfriamento e, entretanto, maisbaixas tensões de resistência serão obtidas, uma vez que a densidade deprecipitados será mais baixa. Se a temperatura de solubilização é muito alta, afusão de algumas das fases com baixas temperaturas de fusão irá ocorrer,resultando no decréscimo de resistência e ductilidade. Para as ligas Al-Cu-Mg,

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o tratamento térmico normalmente praticado a nível comercial é solubilização auma temperatura 5°C mais baixo que o menor ponto de fusão eutético.

A taxa e quantidade de endurecimento por precipitação podem sersignificantemente acrescidas em algumas ligas pelo trabalho a frio depois deresfriado, ao passo que, em algumas outras ligas pouco ou nenhumendurecimento é notado.O efeito do trabalho a frio entre resfriamento eenvelhecimento das propriedades de resistência sob tensão da liga 2024 émostrado abaixo. A liga 2024-T6 tem tensão de escoamento de 57 ksi, mascom 6% de trabalho a frio introduzido entre resfriamento e envelhecimento atensão de escoamento será elevada a 71 ksi.

SÉRIE 3XXX

O MANGANÊS é o elemento de liga principal. As ligas desta série nãosão tratáveis termicamente, entretanto, apresentam resistência 20% superiorque ligas da série 1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%)existem poucas da série 3xxx. Entretanto três delas são largamenteempregadas na indústria: 3003, 3004 e 3105.

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Aplicações:

Componentes de resistência mecânica baixa que exijam elevadaductilidade;

Latas de bebidas; Utensílios de cozinha; Trocadores de calor; Tanques de armazenamento; Sinalização rodoviária e Painéis decorativos e telhados para uso na construção civil.

Veja abaixo o diagrama de fases Al-Mn:

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A adição de 1,2% Mn no alumínio comercial puro (0,6% Fe e 0,2% Si)produz uma moderada resistência a liga de alumínio não tratada termicamente.A adição de manganês aumenta a resistência da liga por solução sólida e pelafina dispersão de precipitados. Esta resistência pode ser aumentada pelaadição de aproximadamente 1% de magnésio. Estas ligas são geralmenteutilizadas quando moderada resistência e boa trabalhabilidade sãonecessárias. A Tabela a seguir lista a composição química e aplicações paraas ligas de alumínio-manganês-magnésio.

A microestrutura de chapas da liga 3003 (1,2% Mn) na condiçãorecozida é mostrada na figura.

Embora esta liga seja aquecida a uma alta temperatura(homogeneização), com tratamento por volta de 6000C para dissolver muitosconstituintes contendo manganês, depois ela é trabalhada a frio eposteriormente recozida a 3400C, formando uma fina dispersão de (Mn, Fe)Al6e α(Al-Fe-Mn-Si) constituintes.

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A resistência da liga 3003 é de aproximadamente 3 a 4 Ksi maior que daliga 1100 (isto é, 3003-O tem um limite de resistência a tração de 16 Ksicomparado a 13 Ksi do 1100-O). A liga 3004 é reforçada pelo efeito domagnésio no endurecimento por solução sólida, então, este, na condiçãorecozida, tem um limite de resistência a tração de 26 Ksi.

SÉRIE 4XXX

O SILÍCIO é o elemento de liga principal. A maior parte das ligas destasérie não são tratáveis termicamente. O Si pode ser adicionado para abaixar atemperatura de fusão sem provocar fragilidade excessiva, assim, ligas Al-Sisão utilizadas em arames de solda ou como ligas para brazagem de Al(soldagem de Al). A liga 4032 é empregada na fabricação de pistões forjadosdevido ao baixo coeficiente de expansão e sua alta resistência ao desgasteLigas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam do cinza aonegro após serem submetidas a anodização e assim são utilizadas em painéisdecorativos na construção civil.

Aplicações:

Uso em arquitetura e construção civil; Fios, arames e pós para brazagem.

Veja abaixo o diagrama de fases Al-Si com fases e composições:

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SÉRIE 5XXX

O MAGNÉSIO é o elemento de liga principal. O Mg é um dos elementosmais efetivos no endurecimento do Al. Quando utilizado como elementoprincipal ou em conjunto com o Mn, o resultado são ligas não tratáveis comresistência moderada à elevada. O Mg é considerado mais efetivo que o Mncomo endurecedor, (0,8% de Mg tem o mesmo efeito sobre a resistência que1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado em quantidades elevadas (~15%).

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Ligas desta série possuem boas características de soldagem e resistência àcorrosão em atmosfera marinha.

Aplicações:

Uso em arquitetura e decoração; Embalagens (tampas de latas de Al); Suportes para iluminação pública; Peças de barcos e navios; Tanques para criogenia e Componentes de guindastes e automotores.

Abaixo segue o diagrama de fases Al-Mg, seguido de uma tabela com fases ecomposições:

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O magnésio produz substancial solubilidade no alumínio e uma grandediminuição da solubilidade do sólido (14,9% em peso a 451oC) com adiminuição da temperatura, as ligas de alumínio-magnésio não apresentamsensível endurecimento por precipitação com concentrações abaixo de 7% Mg.Entretanto, uma substancial resistência do alumínio ocorre por endurecimentopor solução sólida e causando encruamento.

A tabela abaixo lista composição química e aplicações das ligas dealumínio-magnésio.

Para propósitos gerais e estruturais, as ligas de Al-Mg contém de 1 apouco mais de 5% Mg e é muito difundida na indústria. Estas são apenaspoucas ligas binárias de alumínio-magnésio trabalháveis, como as séries 5005e 5050. Para aumentar esta resistência, a maioria das ligas de alumínio-

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magnésio contém um pouco de manganês (0,1 a 1,0%) e/ou cromo (0,1 a 0,2%).Exemplos de ligas Al-Mg com adição de cromo são 5052 e 5154. Enquanto quea liga 5056 é um exemplo que contém manganês e cromo.

Muitas ligas de alumínio-magnésio têm sido desenvolvidas paraacabamentos e decorações. Na redução da quantidade de ferro, silício e outrasimpurezas, uma série de ligas decorativas foram criadas. Como exemplostemos 5053 e 5252 e as ligas 5x57 como 5357, 5457 e 5657.

As ligas alumínio-magnésio têm uma ampla faixa de resistência, boaplasticidade esoldabilidade e alta resistência a corrosão. Uma propriedade proeminente dasligas de alumínio-magnésio é a boa soldabilidade quando, no processo, o arcode solda é protegido por uma atmosfera de argônio, formando uma liga de altaresistência.

O magnésio, na maioria das ligas alumínio-magnésio está presente emsolução sólida. Entretanto, quando a concentração de magnésio nas ligas deAl-Mg excede, aproximadamente, 3,5%, Mg2Al3 pode precipitar a temperaturasbaixas no tratamento térmico ou no resfriamento lento a partir de elevadastemperaturas. Como exemplo, temos a liga 5086, que contém 4% de Mg e étrabalhada a frio e aquecida em torno de 120 a 1800C. Nesta liga uma contínuarede de Mg2Al3 pode precipitar nos contornos de grão (Figura abaixo).

Esta estrutura é indesejável uma vez que pode tornar a liga susceptívelà trinca por corrosão sob tensão em condições adversas. É então maisdesejado neste tipo de liga, um alívio de tensões em altas temperaturas(2450C) e com processo cuidadoso origina uma dispersão de precipitados finosde Mg2Al3 na matriz da liga, como mostrado na figura abaixo.

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Partículas de Mg2Si podem também estar presentes nas ligas Al-Mgcomerciais proporcional à quantidade de silício na liga, devido a baixasolubilidade do Mg2Si na presença de excesso de magnésio. No caso das ligasde Al-Mg contendo cromo e manganês, outras fases também são presentes,devido ao alto teor de ferro presente em todas as ligas comerciais de alumíniopuro.

As propriedades mecânicas das ligas de alumínio-magnésio trabalhadase não tratáveis termicamente estão listadas na tabela a seguir.

O limite de resistência à tração das ligas comerciais alumínio-magnésio,recozidas, varia de 18 ksi, para liga 5005-O, e 45 ksi, para liga 5456-O. As ligas5083-O e 5086-O têm uma leve redução na resistência (42 e 38 ksi,respectivamente) quando comparado a 5456-O. Produtos conformados da ligaalumínio-magnésio estão sempre disponíveis no tratamento de recozimento dotipo O, e usualmente no tratamento H3. O tratamento H3 é geralmente usadoem produtos endurecidos por deformação, uma vez que o tratamento H1usualmente não é estável a temperatura ambiente. O tratamento H3 produzpropriedades estáveis com altos níveis de elongação e melhorescaracterísticas plásticas.

Embora as ligas de alumínio-magnésio sejam classificadas em nãotratáveis termicamente, a quantidade de magnésio solúvel nas temperaturas derecozimento para as ligas Al-Mg, com mais que 4% Mg (como a 5083, 5086,

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5056 e 5456), é maior que a retida em solução-sólida na temperatura ambiente.Como resultado, se estas ligas são severamente encruadas e mantidas por umlongo tempo a temperatura ambiente, ocorrerá a precipitação de Mg2Al3 aolongo de bandas de deslizamento. Também, se estas ligas são expostas aaltas temperaturas em condições de recozimento, a precipitação ocorrerá aolongo de contornos de grãos. Esta precipitação torna essas ligas susceptíveis acorrosão intergranular em ambiente corrosivo. Por esta razão, o tratamentoH3xx tem sido desenvolvido para eliminar ou minimizar esta instabilidade,então essas ligas possuem alta resistência.

SÉRIE 6XXX

O MAGNÉSIO e o SILÍCIO são os elementos de liga principais. Aproporção de Mg e Si visa a formação da fase Mg2Si, formando ligas tratáveistermicamente. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade, boascaracterísticas de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão.

O magnésio e o silício são os elementos de liga principais.A proporção de Mg e Si visa a formação da fase Mg2Si, formando ligas

tratáveis termicamente. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade,boas características de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão.

Aplicações: Uso em arquitetura e decoração; Quadros de bicicletas; Estruturas soldadas.

A combinação de Mg (0,6 a 1,2%) e Si (0,4 a 1,3%) no Al forma as basespara as séries 6xxx das ligas trabalhadas e endurecidas por precipitação de Al-Mg-Si. Na maioria dos casos o Mg e Si estão presentes nas ligas emquantidades combinadas para formar fases metaestáveis de compostosintermetálicos de Mg2Si, mas o excesso de Si maior que o requerido paraMg2Si pode também ser usado. Mn ou Cr são adicionados na maioria das ligasda série 6xxx para aumentar a resistência e o controle do tamanho de grão.Cobre também aumenta a resistência dessas ligas, mas se presente emquantidades acima de 0,5% reduz sua resistência a corrosão. A tabela seguintelista a composição química e aplicações de algumas das mais importantes ligasAl-Mg-Si trabalhadas.

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A primeira liga de Al com constituintes de Mg2Si balanceados, foi a 6053,a qual foi desenvolvida na década de 30 e contém 2% Mg2Si e 0,25% Cr. Estaliga foi seguida pela 6061 a qual é também uma liga com conteúdo balanceadode 1,5% Mg2Si e 0,25% de Cr, e 0,27% de Cu. A liga 6061 é uma liga estruturalcom resistência intermediária. Usada em grande parte hoje, é uma das maisimportantes ligas de alumínio. As ligas de Al-Mg-Si de alta resistência tal comoa 6066 e a 6070 com mais alto conteúdo de Si foram introduzidas em 1960.

Para facilitar a extrudabilidade de vários formatos, a liga 6066 com maisbaixa resistência, foi desenvolvida, a qual contém em torno de 1% de Mg2Si.Esta liga pode ser resfriada durante ou depois da operação de extrusão,evitando assim, a expansão do tratamento de solubilização. As variações daliga 6063 tal como 6463 tem sido desenvolvidas para melhores característicasde acabamento. Na liga 6463 o nível de Fe é mantido tão baixo que o brilho doAl será melhorado após a anodização.

O sistema de endurecimento por precipitação na liga de Al-Mg-Si épossível pelo decréscimo na solubilidade sólida dos compostos intermetálicosMg2Si conforme a temperatura diminui. A figura abaixo mostra uma seçãovertical binária do sistema ternário Al-Mg-Si na composição Mg2Si.

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Como visto na figura acima, uma liga ternária pseudobinária eutética éformada entre a solução sólida de Al e Mg2Si. A solubilidade de Mg2Si no Aldecresce de 1,85% a temperatura eutética para, aproximadamente, 0,1% atemperatura ambiente. As ligas que contém aproximadamente 0,6% ou mais deMg2Si mostram um acentuado endurecimento por precipitação.Se uma liga de Al-Mg-Si contendo 1,3% em peso de Mg2Si é solubilizada a565°C, resfriada em água, envelhecido a 160°C, formam as zona GP quepossuem formato acicular que são orientadas nas direções <001> da matriz.Quando o máximo de resistência é alcançado durante o envelhecimento a160°C por 24 horas, uma alta densidade de precipitado ß’ é formado, comalgumas agulhas curtas sendo observada na figura abaixo.

Reaquecendo a liga endurecida ao máximo de Al-Mg-Si por 15 min a275°C, é observado um crescimento das agulhas ß’, como é observado nafigura seguinte.

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A seqüência geral de precipitação no sistema Al-Mg-Si é representadapor:

Solução sólida supersaturada → zona GP (agulhas?) → ß’ (Mg2Si) → ß (Mg2Si)

Uma vez que uma coerência na deformação não é observada nas zonasGP ou nos estágios de precipitação da transição ß’, têm sido constatado que oacréscimo na resistência da liga Al-Mg-Si é atribuída ao aumento da energiarequerida para as discordâncias quebrarem as ligações Si-Mg quando elaspassam através dos precipitados.

As propriedades mecânicas das selecionadas ligas Al-Mg-Si tratadastermicamente estão listadas na tabela.

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As ligas Al-Mg-Si são somente de resistência intermediária (45 a 57 ksino tratamento T6) uma vez que somente pequenas quantidades de Mg2Si (1 a2% em peso) podem estar inclusas na liga por endurecimento por precipitação.As ligas de mais alta resistência dessa classe são a 6066 e a 6070, no qualtem um excesso de Si próximo do necessário para formar de 1 a 2% de Mg2Si.A liga 6061 tem uma resistência sob tensão de 45 ksi no tratamento T6 econtém 1,6% de Mg2Si. Pela redução da quantidade de Mg2Si para 1,1%, aresistência da liga 6063 é reduzida para 35 ksi no tratamento T6. A resistênciamais baixa da liga 6063 é necessária para uma fácil extrudabilidade.

As ligas de Al-Mg-Si são usualmente solubilizadas em torno de 520°C.Uma vez que esta temperatura está bem abaixo da temperatura eutética defusão destas ligas, existe uma pequena chance de fusão pelo levesuperaquecimento. A liga 6061 pode ser solubilizada a temperaturas mais altasque 520°C com algum acréscimo na resistência sendo obtido, uma vez que,nem todo o Mg2Si presente é solúvel nesta temperatura. Como no caso dasligas Al-Cu-Mg, um resfriamento rápido é requerido para obter resistênciamáxima. As características no envelhecimento artificial da liga 6061 sãomostradas na figura seguinte. Deve ser notado que as mais altas resistênciassão obtidas nas temperaturas mais baixas por longos períodos (135°C por 500horas). Industrialmente com propósitos econômicos esta liga é envelhecida de16 a 20 horas a 160°C.

As mais altas resistências das ligas de Al-Mg-Si são obtidas quando oenvelhecimento artificial é iniciado imediatamente após resfriamento. Perdas de3 a 4 ksi na resistência ocorre se estas ligas são envelhecidas a temperaturaambiente de 1 a 7 dias. Contudo existe alguma recuperação da resistência comum mês ou mais de envelhecimento a temperatura ambiente, a resistênciamáxima nunca alcança aquela obtida pelo envelhecimento imediatamente apósresfriamento.

As ligas de Al-Mg-Si têm excelente resistência a corrosão em toda aatmosfera natural e na maioria das artificiais. A resistência à corrosão dessasligas é melhor nos materiais o qual são rapidamente resfriados e artificialmenteenvelhecidos para o resfriamento desejado.

SÉRIE 7XXX

O ZINCO é o elemento de liga principal, adicionado em quantidadesentre 1 e 8%. Adições em conjunto com Mg resultam em ligas tratáveistermicamente com resistência mecânica elevada. Normalmente, Cu e Crtambém são adicionados em pequenas quantidades.

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Aplicações:

Componentes da indústria aeronáutica como estruturas, peças móveis ecomponentes de alta resistência.

Abaixo segue o diagrama de fases Al-Zn, seguido de uma tabela com fases ecomposições:

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Combinações de 4 a 8% de Zn e 1 a 3% de Mg no alumínio são usadospara produzir a série 7xxx das ligas alumínio-cobre trabalhadas tratáveistermicamente. Algumas dessas ligas desenvolvem propriedades de mais altaresistência que qualquer liga a base de alumínio comercial.

Zinco e magnésio têm alta solubilidade no alumínio e desenvolve, nãousualmente, características de precipitação de dureza. Adição de cobre de 1 a2% aumenta as propriedades de resistência da liga Al-Zn-Mg dando altaresistência à liga de alumínio para aeronaves.

Depois de extensivas pesquisas, ligas 7075 foram introduzidas em 1943.O sucesso do desenvolvimento do membro proeminente da série 7xxx erapossivelmente feito através do benefício do efeito do cromo, ele acrescentougrande melhora na resistência a corrosão sob tensão da lâmina feita dessaliga. Liga 7075 contém 5,6% Zn, 2,5% Mg, 1,6% Cu e 0,30% Cr. A modificaçãoda mais alta resistência da 7075 foi desenvolvida a liga 7178 em 1951 econtém mais altos níveis de Zn, Mg e Cu. A mais alta resistência da liga naprodução comercial, 7001, era introduzida em 1960 e contém 7,4% Zn, 3,0%Mg e 2,1% Cu.

Ligas Alumínio-zinco-magnésio, sem cobre (menos que 0,1%), têm sidodesenvolvidas com resistência intermediária e são soldáveis. Ligas como 7004e 7005 são usados em estruturas de caminhões, carro reboque, pontesportáteis e carros ferroviários. A tabela abaixo lista as composições químicas eaplicações típicas das ligas Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu.

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LIGAS Al-Zn-Mg. Ligas Al-Zn-Mg trabalhadas são reforçadas por reações deprecipitação durante o envelhecimento depois do tratamento térmico eresfriamento. A seqüência de precipitação no envelhecimento da solução sólidasupersaturada é geralmente reconhecido por ser:

Solução sólida supersaturada → zona GP → η’ (MgZn2) → η (MgZn2)

As zonas GP são incoerentes com a matriz e têm forma esférica. Aenergia interfacial da zona GP no sistema Al-Zn-Mg é tão baixa que uma altadensidade de pequenas zonas (~30 Å) pode ser produzido a baixastemperaturas (20 a 1200C). A fase intermediária metaestável semicoerente η’ tem sido descrita como célula unitária monocíclica, enquanto que a fase deequilíbrio incoerente, MgZn2, η’, é hexagonal.

A mais alta resistência obtida da liga Al - 5% Zn - 2% Mg é encontrada porestar associada com alta densidade de pequenas zonas GP, como é produzidapor envelhecimento duplex primeiro por 5 dias a 200C e então por 48 h a maisalta temperatura de 1200C. A estrutura da matriformada por este tratamentoconsiste na mais alta densidade de pequenas zonas GP e não mostraevidências de precipitados da fase semicoerente intermediária (Figura(a)). Oprimeiro estágio do envelhecimento duplex cria uma alta densidade daspequenas zonas GP estáveis com pequenadistribuição de tamanho. Oenvelhecimento a altas temperaturas do segundo estágio dissolve algumas daspequenas zonas, mas muitos outros crescem largamente da mais extensa amenor zona (Ostwald ripening). Neste caminho, a mais alta densidade dapequena zona GP é formada a altas temperaturas.

Por envelhecimento duplex a liga Al – 5% Zn – 2% Mg a altastemperaturas (16h a 800C mais 24 h a 1500C), uma estrutura de precipitadosgrosseiros é produzida, como pode ser vista no tamanho do precipitado nocontorno de grão na figura (b) abaixo. Único estágio de envelhecimento destaliga por 24h a 1500C produz uma fina dispersão dos precipitados intermediáriosη’ com largas zonas livre de precipitados (Figura (c)). A liga nesta condição temuma baixa resistência de 40 ksi quando comparado a 51 ksi de 200C mais1200C do material envelhecido por envelhecimento duplex. O aumento daresistência dessas ligas com maior densidade das zonas GP é atribuído aoacréscimo da resistência ao movimento das discordâncias aumentado pela altaforça de ligações atômicas existentes nestas zonas. O movimento dasdiscordâncias é mais fácil através dos espaçamentos entre os precipitadossemicoerentes intermediários, η’.

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LIGAS Al-Zn-Mg-Cu. A adição acima de 2% de Cu para as ligas Al-Zn-Mg nãoparecem mudar seus mecanismos de precipitação. Durante a formação dazona, o cobre nas ligas Al-Zn-Mg-Cuaparecem uniformemente distribuídos.Cobre na zona GP, entretanto, aumenta sua estabilidade, assim como fazendocom que estas zonas existam a altas temperaturas quando comparadas a ligaAl-Zn-Mg. O cobre reforça a liga Al-Zn-Mg primariamente por solução sólida,mas também fazendo algumas contribuições no reforço por precipitação.

Microestruturas das ligas 7075 (uma das mais importantes da série 7xxx)completamente endurecidas e em condições de superenvelhecimento sãomostrados na figura seguinte. Nas condições de completo endurecimento porenvelhecimento (T651), as zonas GP são menores ou iguais a 75 Å com algunsη’ (~150 Å) também presentes (Fig. (a)). As partículas mais escuras sãoprecipitados ricos em cromo que são encontrados em muitas ligas Al-Zn-Mg-Cu. Depois do superenvelhecimento do material T651 a 1700C por 9 h paraproduzir o T7351, a microestrutura consiste em η’ (100 a 300 Å) e η (400 a 800 Å) (Fig. (b)).

Como no caso da liga Al-Zn-Mg, superenvelhecimento e precipitadosgrosseiros resultam em mais baixa resistência. Por exemplo, o material 7075-T651 tem tensão de resistência resultando a 76,7 ksi e escoamento (0,2%) de66,4 ksi, enquanto o 7075-T7351 possui precipitados η + η’ resulta em tensãode 63,7 ksi e uma resistência ao escoamento 54,3 ksi.

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As propriedades mecânicas das ligas Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cutrabalhadas tratadas termicamente são listadas na tabela a seguir.

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A maior resistência à temperatura ambiente de todas as ligas dealumínio são desenvolvidas nas ligas Al-Zn-Cu-Mg.

Liga 7001, com 7,4% Zn, 3,0% Mg e 2,1% Cu, resulta em umaresistência sob tensão de 98 ksi com uma elongação de 9% quando é tratadotermicamente para o T651. Esta é uma liga da série 7xxx de alta resistência.Liga 7075, como é uma das mais comumente usadas na série 7xxx, tem maisbaixos níveis de zinco, magnésio e cobre (5,6% Zn, 2,5% Mg e 1,6% Cu) e temtensão de resistência máxima de 83 ksi com 11% de elongação quando tratadotermicamente para o T651.

Essas altas resistências são atribuídas a altas densidades da zona GP eprecipitados η’ que podem ser desenvolvidos nestas ligas por tratamentos de envelhecimento duplex.

As características de envelhecimento artificial das lâminas de 7075 sãomostradas na figura abaixo.

Para a redução do tempo de forno do envelhecimento artificial, tem sidodesenvolvido tratamento de envelhecimento duplex por tempo mais curto. Emum envelhecimento prático, lâmina 7075 é envelhecida por 4 h a 1000C mais 8h a 1570C, enquanto outros são usados em 3 horas a 1200C mais 3 horas a1750C. Nesse tratamento de envelhecimento, uma alta densidade daspequenas zonas GP são nucleadas e crescem tanto que em uma altatemperatura de envelhecimento, a densidade aumenta ao ponto de ficar retida.

Em contraste com a liga Al-Cu-Mg, trabalhadas a frio, as ligas Al-Zn-Mge Al-Zn-Mg-Cu entre resfriamento e envelhecimento não tem significativoendurecimento. A liga da série 7xxx não responde favoravelmente atratamentos de trabalho a frio e envelhecimento desde que elas sejamendurecidas quase exclusivamente por formação de zonas e precipitados quenucleiam das zonas.

Assim, introduzindo grande quantidade de novas discordâncias portrabalho a frio depois de tratamento térmico de solubilização e resfriamento,não são grandemente aceleradas na precipitação da fase metaestávelintermediária como é o caso das ligas Al-Cu-Mg.

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SÉRIE 8XXX

As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composiçõescom uma miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li(2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aeroespacial e criogenia.

As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composiçõescom uma miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li(2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aeroespacial e criogenia.

Ligas Fundidas de Alumínio:

As ligas fundidas de alumínio tem sido desenvolvidas visando aqualidade de fundição, fluidez e molhabilidade, assim como, as propriedadesde resistência mecânica, corrosão e ductilidade. Assim, devido a diferença dascaracterísticas requeridas, as ligas de alumínio para fundição vão tercomposições químicas diferentes das ligas trabalhadas.

Na tabela abaixo são listadas as composições químicas, bem como suasaplicações.

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Conforme pode ser observado na tabela, os três processamentos a partirdos quais são obtidas as peças fundidas são: fundição em areia, em moldepermanente (coquilha) e sob-pressão (injeção).

As ligas são classificadas de acordo com o sistema numérico daAluminion Association, sendo os elementos principais da liga fundida, o quedeterminam o primeiro algarismo.

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Ligas de alumínio-silício o para fundição:

As ligas de alumínio para fundição que tem como elemento de liga maisimportante o silício, tem uma grande aplicação industrial devido às superiorescaracterísticas de fundição. Estas ligas apresentam, comparativamente, altafluidez no estado líquido, excelente molhamento durante a solidificação, boaresistência a fragilização à quente e, conseqüentemente, boa resistência àformação de trincas a quente. O silício também tem a vantagem de não reduzira boa resistência à corrosão apresentada pelo alumínio, aumentando inclusivea resistência à corrosão em ambientes mediamente ácidos.

As ligas de Al-Si não são consideradas como tratáveis termicamentedevido à baixa quantidade de silício que é solúvel em alumínio (no máximo1,65% em peso) e, uma vez que o silício vai reprecipitar a partir da soluçãosólida causando pequena dureza.

No diagrama de fases da liga Al-Si, apresentado na figura abaixo, pode-seobservar que a composição eutética forma-se com 12,6% Si.

As mais importantes ligas binárias de alumínio e silício para fundição sãoa 443 (5,3% Si) e a 413 (12% Si). A primeira pode ser processada em fundiçãoem molde de areia ou em coquilha e a segunda por fundição sobre pressão.Durante a solidificação da liga 443 (Al-5%Si) inicialmente formam-se asdendritas, que são constituídas de alumínio quase puro. Os espaços entreestas estruturas são então preenchidos com alumínio - silício eutético. Quandoocorre o resfriamento ela se decompõe em alumínio quase puro e silício.Quando a taxa de solidificação é aumentada as células dendríticas se tornarãomenor. Esta relação é ilustrada na figura seguinte, que mostra diferentesregimes de solidificação para a liga 443. Na figura (a), a liga 443-F foiproduzida por fundição em areia com rápido resfriamento, o que resultou numaestrutura com células dendríticas bastante extensas. A figura (b) a liga B443-F

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foi produzida por fundição em coquilha, com mais rápido resfriamento, eobteve-se um menor tamanho da célula dendrítica. Utilizando-se a mesma ligae taxa de resfriamento ainda maior, em fundição sob-pressão, observa-se umainda menor tamanho da célula dendrítica como mostrado na figura (c).

Um recurso bastante utilizado para refinar a estrutura eutética da ligasAl-Si fundidas em areia é a adição pequenas quantidades de Sódio (0,025%).O sódio pode ser adicionado tanto na forma metálica como na forma salinaapós a fundição, e aumenta consideravelmente a estrutura eutética comodemonstrado na figura abaixo (Al-7%Si).

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A adição de 0,025% de sódio também promove na liga o aumento daresistência a tração, formando irregularidades nas fibras de silício eutético,conforme pode ser observado na figura abaixo.

Ligas de Alumínio Silício Magnésio para Fundição:

As propriedades de resistência da liga fundidas de Al-Si são melhoradaspela adição de pequenas quantidades de Mg (em torno de 0,35%). A ligafundida de Al mais importante desse tipo é 356, que contem 7% de Si, queaumenta a capacidade de fundição, e 0,35% Mg para fazer o tratamentotérmico da liga. O endurecimento se dá por precipitação e é atribuído pela fasemetaestável Mg2Si o conteúdo de Mg2Si está entre 0.5% e 0.6%.

A microestrutura da liga 356 em condições severas de fundição etratamento térmico é mostrada na figura abaixo. A taxa lenta de solidificaçãoinduz ao avanço das partículas de silício em fundição em areia nos espaçosinterdendríticos na liga eutética Al-Si (figura (a)). Esta liga envelhecida

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artificialmente em condições fundidas não mudam a microestrutura óptica, masproduzem dispersões finas de precipitados metaestáveis que endurecem a liga.

Se a liga 356 é modificada pela adição de 0,025% Na no metal fundido,a estrutura eutética fundida em areia é refinada e as partículas de silício noeutético são menores e com ângulos menores. Este refinamento melhora aspropriedades mecânicas e solidificam vagarosamente a liga fundida em areia,mas o principal benefício está em melhorar as características de molhabilidadenos moldes em areia e permanentes. Estas pequenas partículas de silícioproduzem baixa interferência no fluxo do metal líquido durante a solidificação.Como resultado, a liga modificada por sódio produz um acabamento superior emenos contração microestrutural entre as dendritas quando comparado aosmetais não modificados.

A figura (b) mostra a estrutura da liga 356 fundida em areia depois damodificação. Quando a estrutura modificada é tratada termicamente, resfriadae superenvelhecida no tratamento T7, partículas de silício aglomeramproduzindo maiores partículas esferoidizadas (figura (c)).

Sabe-se que desde 1920, as placas e as agulhas constituintes de Al-Fe-Si reduzem a resistência de ligas alumínio-silício fundidas. Reduzindo o nívelde ferro da liga 356 para aproximadamente 0,10%, consideráveis aumentos naresistência podem ser alcançados.

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Ligas alumínio-cobre para fundição:

As ligas de alumínio e cobre de fundição têm sido quase totalmentesubstituídas por ligas de Al-Si-Mg. As principais razões para esta substituição éque estas ligas têm propriedades mecânicas pobres, menor resistência àcorrosão e densidade específica mais alta que as ligas de alumínio-silício.

As propriedades mecânicas de ligas de Al fundidas selecionadas sãolistadas na tabela abaixo.

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A resistência a tensão das ligas fundidas Al usualmente estão em tornode 18 a 48 Ksi. Ligas de Al fundidas em areia, por causa de seu grandetamanho relativo de célula dendrítica no que implica em taxas de solidificaçãomais lenta, tem resistência a tensão mais baixa do que ligas de Al fundida emmolde permanente ou injeção sob pressão. Resistências maiores são obtidasnos dois últimos métodos por uma taxa de solidificação alta e menorporosidade de gás por utilizar moldes de metal. Na injeção sob pressão aporosidade de gás é reduzida pela ação da pressão. Como exemplo a liga 356tem uma tensão de resistência mínima de 30 Ksi. Quando fundido em areia eenvelhecido para o pico de resistência (tratamento T6), mas quando é fundidoem molde permanente, tem-se um pico de resistência de 33 Ksi.

Tratamentos Térmicos de Solubilização eEnvelhecimento das Ligas de Alumínio de uma FormaGeral:

Os tratamentos térmicos têm por objetivo remover ou reduzir assegregações, produzir estruturas estáveis e controlar certas característicasmetalúrgicas tais como: propriedades mecânicas, tamanho de grão,estampabilidade, etc.

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Maior resistência mecânica é obtida nas ligas que respondem aotratamento térmico de solubilização/envelhecimento. Primeiramente o metal éaquecido uniformemente até cerca de 500 0C, sendo que a temperatura exatadepende da liga em particular. Isto ocasiona a dissolução dos elementos de liga nasolução (tratamento de solução). Então, segue-se um resfriamento rápido,geralmente em água, que previne temporariamente que estes constituintesprecipitem. Esta condição é instável e, gradualmente, os constituintesprecipitam-se de maneira extremamente fina (somente visível através depotentes microscópicos), alcançando, assim, o máximo efeito deendurecimento (envelhecimento). Em algumas ligas isto ocorre,espontaneamente, depois de alguns dias (envelhecimento natural), enquantoque em outras ocorre através de reaquecimento por algumas horas a cerca de175 0C (tratamento de precipitação).

Tomaremos como exemplo, o resfriamento lento de uma liga do sistemaAl-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al.

Solubilização:

A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora,mantendo a liga em uma condição metaestável.

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Envelhecimento:

O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da faseendurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo deenvelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem aformar a fase θ.

Nas ligas de alumínio tratáveis, o envelhecimento é realizado emtemperaturas de até 280ºC (dentro do campo α + θ) por um intervalo de tempo precisamente determinado. A combinação temperatura e tempo deenvelhecimento determinam as características da dispersão da fase θ. Para

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uma determinada temperatura existe um tempo “ótimo” em que a dispersão deprecipitados é, na maior parte, coerente provocando o endurecimento máximoda liga.

Curvas de Envelhecimento:

A figura abaixo apresenta o aspecto típico de curvas de envelhecimento.Note que quanto maior a temperatura de envelhecimento, o ponto deresistência máxima ocorre mais rápido, porém com um valor de resistênciamenor.

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Superenvelhecimento:

O superenvelhecimento é caracterizado pela redução da resistênciamecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo deenvelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os precipitadoscoerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes,diminuindo a resistência mecânica.

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Solubilização/Envelhecimento e a Conformação Mecânica:

Os efeitos de um tratamento térmico completo incluem não somente umaumento substancial no limite de resistência à tração, mas também na reduçãoda ductilidade. Conseqüentemente, é usual submeter-se o material a qualqueroperação de conformação severa, que seja necessária, antes do tratamentotérmico. A maior parte das conformações pode ser feita antes do tratamento desolução, com um acerto posterior para corrigir quaisquer distorções nãoprevistas que possam ocorrer durante o resfriamento, porém,preferencialmente a conformação deve ser feita imediatamente após otratamento de solução, antes do envelhecimento.

Quando for difícil essa conciliação, é possível retardar o envelhecimentomantendo-se os componentes resfriados, uma técnica freqüentemente aplicadaem rebites para a indústria de aviação.

Outros Tratamentos Termomecânicos das Ligas deAlumínio:

Homogeneização:

É um tratamento térmico realizado em temperaturas ao redor de 500 0C,dependendo da liga, que em por objetivo remover ou reduzir as segregações,produzir estruturas estáveis e controlar certas propriedades metalúrgicas, taiscomo: propriedades mecânicas, tamanho de grão, estampabilidade, etc.

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No caso da laminação a quente este tratamento pode ser executadoconcomitantemente ao aquecimento das placas.

Recozimento Pleno:

O recozimento pleno é um tratamento térmico em que se consegue ascondições de plasticidade máxima do metal (têmpera O), correspondendo auma recristalização total do mesmo.

No processo de recozimento, o metal é aquecido, geralmente na faixa de350 0C, suficientemente para permitir o seu rearranjo numa nova configuraçãocristalina não deformada. Este processo de recristalização remove o efeito dotrabalho a frio e deixa o metal numa condição dúctil. O recozimento bemsucedido caracteriza-se somente pela recristalização primária. Deve-se evitarsuperaquecimentos, já que isto causa coalescência e o crescimento exageradodos grãos, também chamada de recristalização secundária, com aconseqüente tendência de ser desenvolvido o defeito “casca de laranja” nostrabalhos subseqüentes, principalmente de estampagem.

Para materiais recozidos plenamente (totalmente recristalizado) éaconselhável a obtenção de tamanhos de grão entre 20 e 100 micrômetros dediâmetro (número 8,0 a 3,5), para que se obtenha peças de boa qualidade,após estampagem, dobramento ou extrusão por impacto. Caso o tamanho degrão esteja fora desta faixa pode ocorrer o rompimento da peça ou osurgimento do defeito “casca de laranja”, o que pode exigir operação depolimento adicional para restituir-lhe superfície lisa, às vezes com grandesdificuldades.

Recozimento Parcial:

Este tipo de tratamento térmico corresponde a uma recristalizaçãoparcial do material, permitindo a obtenção de têmperas com alongamentosmaiores, o que favorece, em alguns casos, o processo de estampagem,conferindo ao produto final uma maior resistência mecânica. Pode ser realizadoentre as temperaturas de 200 0C a 280 0C, dependendo da porcentagem deredução aplicada na laminação a frio.

Estabilização:

Nas ligas de AlMg (série 5XXX) ocorre uma perda de propriedadesmecânicas do material deformado a frio, após alguns dias em temperaturaambiente.

Para controlar esse inconveniente, aplica-se uma porcentagem dedeformação mais alta do que a necessária para atingir-se determinado nível depropriedades mecânicas (determinada com base em uma curva deencruamento para material estabilizado) e, depois, aquece-se o material emtemperaturas ao redor de 150 0C, para acelerar a recuperação (têmperas H3X).Este tratamento serve para aliviar a tensão residual dos materiais encruados epara aumentar a resistência à corrosão das ligas de AlMg.

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Conclusão:

Com este trabalho concluímos que o alumínio e suas ligas constituemum dos materiais metálicos mais versáteis, econômicos e atrativos para umavasta série de aplicações e os tratamentos termomecânicos das ligas dealumínio são de grande importante para a indústria moderna, pois possibilitama remoção ou a redução de segregações, a produção de estruturas estáveisalém de poderem propiciar o controle sobre algumas característicasmetalúrgicas.

Vimos que o alumínio é um dos metais mais consumidos anualmente,sendo assim o mais importante dos metais não ferrosos e que a sua variedadede usos está relacionada com suas características físico-químicas, comdestaque para seu baixo peso específico, resistência à corrosão e altacondutibilidade elétrica/térmica.

Por fim o aumento espetacular no consumo de alumínio é devidoprincipalmente a facilidade com que esse metal pode ser transformado atravésde todos os processos metalúrgicos normais, sendo assim viável à indústriamanufatureira em qualquer forma que seja requerida.

Referências Bibliográficas:

METALS Handbook Committee. Metals handbook Atlas of Microstructures ofIndustrial Alloys, v. 1, 2, 7, 8a. ed. Aluminium Alloys. Ohio: American Society forMetals, 1984.

ALUMINIUN Association. Aluminium: Properties and Physical Metallurgy. Ohio:American Society for Metals, 1984.

ABAL. Fundamentos e Aplicações do Alumínio. São Paulo – Brasil

http://demec.ufpr.br/pesquisas/superficie/material%20didatico/Al_e_suas_ligas.pdf

www.cia-brasileira-aluminio.com.br/pt/glossario.php

www.abal.org.br/servicos/normas_publicadas.asp