LIGAS   DO   ALUMÍNIO

Alumínio e suas ligas (Al)                                                    

                                                  Formação

O Alumínio e suas ligas constituem um dos materiais metálicos mais versáteis, econômicos e atrativos para uma vasta série de aplicações. Sua aplicação como metal estrutural só é menor que a dos aços. O alumínio possui uma densidade de 2,7 g/cm³, aproximadamente 1/3 da do aço, o que somado à sua elevada resistência mecânica o torna bastante útil na construção de estruturas móveis, como veículos e aeronaves.        O Alumínio não é ferromagnético, possui elevadas condutividades térmica e elétrica, e é não-tóxico. Outra vantagem do alumínio é a sua resistência à oxidação progressiva, já que os átomos da sua superfície se combinam com o oxigênio da atmosfera, formando uma camada de óxido protetor que impede a progressão da deterioração do material.  Além disso, o alumínio com determinados tratamentos e/ou elementos de liga se torna resistente à corrosão em meios mais agressivos. O alumínio também encontra aplicações em peças decorativas, graças à sua superfície brilhante e reflectiva.

                                             Classificação      

 A produção do Alumínio é dividida em duas partes: primária e secundária. O alumínio primário é produzido, basicamente, pelo processo Hall-Héroult, no qual a alumina (óxido de alumínio) obtida pelo refino da bauxita é dissolvida num banho de criólitos e sais fluoretos, que tem a função de controlar a temperatura, densidade e resistividade do banho e a solubilidade da alumina.        O metal separado no processo é removido por sistemas de vácuo ou sifão para dentro de cadinhos, que são então transferidos para unidades de fundição, onde são refundidos ou transformados em lingotes. O alumínio produzido por este método contém uma quantidade relativamente elevada de impurezas, e para a obtenção de ligas com purezas mais elevadas outros métodos de refino são utilizados, podendo resultar em índices de 99,999% de pureza.        O alumínio secundário é produzido a partir da reciclagem de sucata e constitui uma importante fonte de produção do metal. Esta atividade vem sendo cada vez mais valorizada ultimamente, pois representa uma importante economia de energia elétrica, item especialmente importante na produção do metal.

                                              Qualidade

 O alumínio possui uma boa conformabilidade e pode ser produzido em uma série de formas diferentes.  A tabela abaixo mostra a distribuição da produção de alumínio nos EUA, principal consumidor mundial. 

Produto Participação (%)

Chapas, Placas e Folhas 51,3

Lingotes 26,4

Tubos e extrudados 14,9

Outros* 7,4

* Condutores (3,0%), barras, arames e fio-máquinas (2,7%), forjados (1,1%) e pó (0,6%)

                         Sistema de classificação       

A tabela abaixo mostra o sistema de classificação da The Aluminum Association Inc., associação dos produtores norte-americanos.  

Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga

1xxx Alumínio puro -

2xxx Cu Mg , Li

3xxx Mn Mg

4xxx Si -

5xxx Mg -

6xxx Mg , Si -

7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr

8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -

9xxx Reservado para uso futuro -

                                            Aplicações

· Liga 1xxx: Indústrias química e elétrica· Liga 2xxx: Aeronaves (graças a sua elevada resistência mecânica)· Liga 3xxx: Aplicações arquitetônicas e produtos de uso geral· Liga 4xxx: Varetas ou eletrodos de solda e chapas para brasagem· Liga 5xxx: Produtos expostos à atmosfera marinha como cascos de barcos· Liga 6xxx: Produtos extrudados de uso arquitetônico· Liga 7xxx: Componentes estruturais de aeronaves e outras aplicações que necessitam de elevados requisitos de resistência. Esta liga é a que possui a maior resistência mecânica entre as ligas de alumínio.

 

Ligas Al-Cu  

As ligas do sistema Al-Cu, conhecidas como ligas da série 2XXX (trabalhadas) e 2XX.X (fundidas) na classificação da Aluminum Association, são as ligas de alumínio de desenvolvimento mais antigo, sendo que o seu surgimento data do início do século XX, quando Alfred Wilm, na Alemanha, descobriu o fenômeno de

endurecimento por precipitação [4]. Essas ligas até hoje são conhecidas como duralumínio, e entre essas ligas a 2017 é a mais antiga e também a mais conhecida. É uma liga que contém 4 % de cobre, 0,5 % de magnésio e 0,7 % de manganês, nas quais a simples introdução desses elementos de liga já eleva a resistência à tração de 9,1 kg/mm2 (alumínio comercialmente puro) para 18,2 kg/mm2. O tratamento térmico de envelhecimento (endurecimento por precipitação) por tempo e temperatura controlados ainda permite aumentar ainda mais a resistência à tração, para cerca de 43 kg/mm2 [1].

Esse grupo de ligas Al-Cu pode ainda ser subdividido em dois grupos principais: as ligas Al-Cu com teores de magnésio relativamente baixos, como a 2017 mencionada e outras como a 2025 e a 2219, e as ligas Al-Cu com tores de magnésio relativamente altos (também denominadas Al-Cu-Mg), superiores a 1%, como a 2024 (1,5 % de magnésio) e a 2618 (1,6 % de Mg). A principal diferença entre esses dois subgrupos é que nas ligas Al-Cu, mais antigas, só contribuem para o endurecimento por precipitação as fases precursoras da fase (Al2Cu): '' e ', ao passo que nas ligas Al-Cu-Mg é igualmente importante a contribuição da fase S', precursora da fase S (Al2CuMg) [3]. Se o teor de silício for relativamente alto, também poderá ser encontrada nestas ligas a fase quaternária Q (Al4Cu2Mg8Si7).

As ligas Al-Cu(-Mg) podem apresentar diferentes tipos de elementos de liga, adicionados com diversas finalidades, os quais podem levar à formação de diversas fases diferentes. A liga 2024, por exemplo, possui manganês em teores relativamente altos, que causa a formação da fase Al12(Fe,Mn)3Si, presente também em outras ligas, que sob a forma de partículas dispersóides retardam os processos de recristalização e crescimento de grão. A liga 2011, por exemplo, não apresenta magnésio e manganês em teores elevados, mas sim ferro e silício, havendo a formação da fase Al7CuFe2 insolúvel [3].

De um modo geral as ligas Al-Cu(-Mg) apresentam elevada resistência mecânica após tratamento térmico de endurecimento por precipitação, entretanto, apesar dessa vantagem, apresentam algumas desvantagens quando comparadas com outros tipos de ligas de alumínio, que vão desde a resistência à corrosão relativamente baixa e a conformabilidade limitada (são pouco adequadas a processos com elevada deformação, como a extrusão, por exemplo) até a soldabilidade igualmente restrita (em geral são soldadas somente por processos de resistência elétrica) [1]. Os valores mais elevados de dureza são obtidos para teores de cobre da ordem de 4 a 6 %, dependendo da influência de outros elementos de liga presentes [3].

Como ligas que apresentam elevados teores de soluto, as ligas Al-Cu(-Mg) apresentam considerável endurecimento quando mantidas por tempos relativamente longos à temperatura ambiente. É o chamado envelhecimento natural, que recebe essa denominação para distinguí-lo do envelhecimento artificial obtido através de tratamento térmico em fornos. Esse efeito ocorre devido à formação das chamadas zonas de Guinier Preston (GP), em forma de discos formados por um arranjo de átomos de cobre e alumínio nas regiões enriquecidas em cobre, e que já são responsáveis por um razoável ganho de dureza no material mantido à temperatura ambiente. Esse tipo de pré-precipitado (zonas GP) também se forma no início do envelhecimento artificial e essas zonas GP são consideradas precursores dos precipitados intermediários metaestáveis '' e '. O precipitado '', que se forma após algumas horas de envelhecimento (3 ou 4 horas a 190 ºC, quando as zonas GP desaparecem), é coerente com a matriz e possui formas de plaqueta, assim como o precipitado ', que se forma algum tempo depois, mas

coexiste com o precipitado '' durante um certo intervalo de tempo, o qual corresponde à dureza mais elevada que pode ser obtida para as ligas Al-Cu(-Mg). A continuação to tratamento térmico de envelhecimento leva à formação do precipitado de equilíbrio , cuja composição química corresponde exatamente à estequiometria Al2Cu. Este é o chamado precipitado de equilíbrio termodinâmico, uma vez que o prosseguimento do envelhecimento não muda suas características, com exceção do tamanho dessas partículas, que tende a crescer. A formação desse precipitado de equilíbrio também corresponde ao chamado superenvelhecimento da liga Al-Cu(-Mg), que é caracterizado por uma acentuada queda de dureza, quando comparado com o intervalo de coexistência das fases '' e ' [3].

Sendo assim, a seqüência de precipitação nas ligas Al-Cu é dada por:

SS --> GP --> '' --> ' --> (Al2Cu)

onde: SS = solução sólida supersaturada, GP = zonas de Guinier Preston.

Obs: alguns autores mais antigos podem se referir aos precipitados ''como zonas GP2, e assim considerarem as zonas GP iniciais como zonas GP1, mas essa denominação está em desuso, uma vez que estudos mais recentes demonstram que os precipitados ''são efetivamente precipitados com estrutura cristalina e outras características bem definidas, que os diferenciam das zonas GP.

As ligas Al-Cu-Mg, apresentam duas seqüências de precipitação praticamente simultâneas: além da seqüência apresentada anteriormente, a seqüência mostrada a seguir, relacionada com a presença do magnésio em teores mais elevados [3]:

SS --> GP --> S' --> S (Al2CuMg)

A presença do magnésio acelera e intensifica o endurecimento durante o envelhecimento natural, o que é atribuído ao resultado das complexas interações entre lacunas e dois tipos de átomos de solutos diferentes, com a formação de pares de átomos de magnésio e cobre afetando o movimento das discordâncias. Apesar de também serem conhecidas há muito tempo e produzidas em larga escala os detalhes do processo de precipitação são menos conhecidos no caso das ligas Al-Cu-Mg. Contudo, sabe-se que a fase intermediária endurecedora S' é coerente, ao contrário da fase de equilíbrio S. Pequenas adições de magnésio já são suficientes para proporcionar um considerável endurecimento às ligas Al-Cu [3].

As tabelas apresentadas a seguir mostram a composição química nominal e valores típicos de propriedades mecânicas que podem ser obtidos para as ligas Al-Cu(-Mg) trabalhadas mecanicamente e fundidas:

Tabela 2.1: Composição química de ligas Al-Cu trabalhadas (% em massa)

Liga Cobre Magnésio Silício Manganês Outros Alumínio

2011 5,5 - - -0,40:

Bi, Pb e Fe

Restante

2014 4,4 0,5 0,8 0,8 - Restante2017 4,0 0,6 0,5 0,7 - Restante2117 2,6 0,35 - - - Restante2218 4,0 1,5 - - 2,0 Ni Restante

2618 2,3 1,6 0,18 -1,1 Fe; 1,0 Ni; 0,07 Ti

Restante

2219 6,3 - - 0,300,10 V; 0,18 Zr; 0,06 Ti

Restante

2024 4,4 1,5 - 0,6 - Restante2025 4,4 - 0,8 0,8 - Restante2036 2,6 0,45 - 0,25 - Restante

Tabela 2.2: Composição química de ligas Al-Cu fundidas (% em massa)

Liga Cobre Magnésio Silício Ferro Zinco Outros Alumínio

201.0 4,6 0,350,10máx

0,15máx

-0,7 Ag;

0,35 Mn

Restante

202.0 4,6 0,350,10máx

0,15máx

-0,7 Ag; 0,4 Cr; 0,5 Mn

Restante

203.0 5,00,10máx

0,30máx

0,50máx

-

1,5 Ni; 0,25 Mn; 0,25 Sb; 0,25 Co;

0,20 Zr; 0,20 Ti 

Restante

204.0 4,6 0,250,20máx

0,35máx

- - Restante

206.0 4,6 0,250,10máx

0,15máx

-0,35 Mn

Restante

208.0 4,00,10máx

3,01,2máx

1,0máx

- Restante

213.0 7,00,10máx

2,01,2máx

2,5máx

- Restante

222.0 10,0 0,252,0máx

1,5máx

0,8máx

- Restante

224.0 5,0 -0,06máx

0,10máx

-

0,35 Mn; 0,1 V; 0,2

Zr

Restante

238.0 10,0 0,25 4,01,5máx

1,5máx

- Restante

240.0 8,0 6,0 0,50 0,50 -0,5 Mn; 0,5 Ni

Restante

242.0 4,0 1,50,7máx

1,0máx

0,35máx

2,0 Ni Restante

243.0 4,0 2,0 0,35 0,40 - 0,3 Mn; Restante

máx máx2,1 Ni; 0,3 Cr

249.0 4,2 0,400,05máx

0,10máx

3,0 0,4 Mn Restante

295.0 4,5 - 1,11,0máx

- - Restante

296.0 4,5 - 2,51,2máx

0,50máx

- Restante

Tabela 2.3: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu trabalhadas

LigaLimite de

resistência (MPa)

Limite de escoamento

(MPa)

Alongamento (%) em 50mm

Dureza Brinell

Limite de resistência

à fadiga (MPa)

2011 (T8) 405 310 12 100 1252014 (T6) 485 415 12 135 1252017 (T4) 425 275 22 105 1252117 (T4) 300 165 27 70 95

2218 (T72) 330 255 11 95 -2618 (T61) 435 370 10 - 1302219 (T87) 475 395 10 130 1052024 (T861) 515 490 6 135 125

2025 (T6) 400 255 19 110 1252036 (T4) 340 195 24 - -

Tabela 2.4: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu fundidas

LigaLimite de

resistência (MPa)

Limite de escoamento

(MPa)

Alongamento (%) em 50mm

Dureza Brinell

201.0 (T6) 448 379 8,0 130208.0 (F) 145 97 2,5 55213.0 (F) 165 103 1,5 70

222.0 (T62) 421 331 4,0 115224.0 (T571) 380 276 10,0 123

240.0 (F) 235 200 1,0 90242.0 (T571) 221 207 0,5 85

295.0 (T6) 250 165 5,0 75

  

Ligas Al-Mg  As ligas Al-Mg (série 5XXX) constituem um importante grupo de ligas de alumínio não tratáveis termicamente, ou sejam, não são endurecíveis por tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, mas sim por solução sólida e encruamento (trabalho mecânico). Além desse ganho de resistência mecânica, o magnésio permite a essas ligas manterem um elevado nível de dutilidade, assim como excelente resistência à corrosão e soldabilidade [3].

A temperatura eutética dessas ligas é 450 ºC e o teor de magnésio que corresponde ao ponto eutético é de 35 %. A fase em equilíbrio com o alumínio é a Al3Mg2 (37,3 % de magnésio), embora esta composição esteja um pouco fora da faixa que corresponde a essa estequiometria (34,8 a 37,1 %). A fase Al8Mg5 (36% de magnésio) corresponde à composição da fase sólida e é muito facilmente encontrada nas ligas Al-Mg. A solidificação em equilíbrio termodinâmico só pode ser obtida com taxas de resfriamento inferiores a 0,000005 ºC/h. A solidificação em condições de não equilíbrio leva à segregação, com a fase Al8Mg5 aparecendo para teores de magnésio tão baixos como 4 ou 5 %. Esta fase é frágil abaixo de 330 ºC, mas apresenta alguma plasticidade em temperaturas mais altas [3].

Entretanto, como a solubilidade do magnésio no alumínio é elevada, na maioria das vezes o alumínio permanece em solução sólida no magnésio, embora à medida que o teor de magnésio aumenta o mesmo passa a aparecer no eutético contendo Al3Mg2. Quando o teor de silício nas ligas Al-Mg é relativamente alto (cerca de 0,5 %, por exemplo), forma-se a fase Mg2Si, a mesma fase responsável pelo endurecimento por precipitação nas ligas Al-Mg-Si (série 6XXX). Nas ligas Al-Mg quando o teor de magnésio supera 3,5 % a fase Al3Mg2 pode se precipitar nos contornos de grão ou dentro dos grãos, o que geralmente ocorre mediante aquecimento a temperaturas relativamente baixas. O cromo é um elemento de liga importante e pode formar dispersóides do tipo Al18Cr2Mg3. Quando o manganês está presente as fases ricas em ferro tornam-se complexas, havendo a formação de dispersóides do tipo Al6Mn, mas que também podem conter cromo. O trabalho a frio de ligas Al-Mg produz acentuadas bandas de deformação, decoradas por precipitados ricos em magnésio [3].

As ligas Al-Mg são aquelas que possuem a melhor combinação de resistência mecânica, resistência à corrosão e dutilidade, possuindo propriedades mecânicas intermediárias entre as das ligas da série 3XXX (Al-Mn) e as ligas endurecíveis por precipitação (Al-Cu, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg, séries 2XXX, 6XXX e 7XXX respectivamente) [1]. São utilizadas em aplicações nas quais se exige razoável resistência mecânica com excelente resistência à corrosão. Ligas Al-Mg com teores variando entre 3 e 5 % são muito utilizadas na indústria naval, na fabricação de diversos componentes de navios [2]. As ligas 5042, 5352, 5082 e 5182 são usadas na fabricação de tampas para latas de bebidas, mais freqüentemente as ligas 5082 e 5182. A liga 5182, assim como a 5052, também é usada na indústria automobilística. As ligas 5356, 5554 e 5556 são usadas como metais de adição na soldagem [3]. 

As ligas Al-Mg de uso comercial mais antigo são a 5052, 5154 e 5056. Existem poucas ligas Al-Mg essencialmente binárias como a 5005 e a 5050, já que a maioria contém elementos formadores de dispersóides, tais como o cromo, o manganês e o titânio, em um total que pode variar de 0,25 a 1 %. A liga Al-Mg com maior resistência mecânica é a 5456 , seguida de perto pela 5083 e, num nível mais baixo, pela 5086. Outras ligas com menor resistência mecânica são a 5454, 5082 e 5182. Os mais baixos níveis de resistência mecânica correspondem às ligas binárias (5005 e 5050) [3].

Produtos trabalhados mecanicamente de ligas Al-Mg estão sempre disponíveis na têmpera O (recozido) e em uma ou mais das têmperas H1, H2 e H3 (trabalhadas com diferentes níveis de encruamento). As ligas Al-Mg combinam uma ampla faixa de níveis de resistência mecânica com a facilidade de serem conformadas e soldadas (inclusive processos de soldagem a arco), além da elevada resistência à corrosão. A resistência mecânica da solda em ligas Al-Mg eqüivale às de outras

ligas recozidas, além de apresentar boa dutilidade. Ligas com teores de magnésio superiores a 3,5 % apresentam menor soldabilidade do que ligas com teores de magnésio mais elevados. Entra as ligas usadas na fabricação de eletrodos de soldagem estão a 5356, a 5554 e a 5556. Em geral as ligas usadas como metais de adição são semelhantes ao metal base que está sendo soldado, com exceção da adição de titânio necessária para o refino dos grãos da microestrutura do metal de solda [3].

Embora as ligas Al-Mg estejam classificadas como ligas não endurecíveis por precipitação, por não apresentarem ganho de dureza devido à precipitação, em ligas como a 5083, 5086, 5056 e 5456 o teor de magnésio supera o limite de solubilidade, fazendo com que, em condições termodinamicamente favoráveis como temperaturas elevadas, ou mesmo longos tempos à temperatura ambiente, ocorrer precipitação das fases Al3Mg2, Al3Mg5 ou Al8Mg5 nos contornos de grão, que, em vez de proporcionar algum ganho de dureza, causa problemas como aumento da susceptibilidade à corrosão nos contornos de grão e diminuição da resistência à corrosão sob tensão. Esse problema resultou no desenvolvimento da têmpera (grau de encruamento) H116, de modo a eliminar, ou minimizar, essa instabilidade, permitindo um melhor aproveitamento das propriedades mecânicas e outras características favoráveis dessas ligas, que fazem com que elas sejam muito usadas para aplicações nas quais se deseja maior resistência mecânica do que a do alumínio comercialmente puro (série 1XXX). A elevada resistência mecânica e a boa soldabilidade dessas ligas fizeram com que elas estejam entre as ligas preferidas para algumas aplicações estruturais, para uso na fabricação de meios de transporte, nas indústrias de processamento e também para usos militares, nos quais se deseja boas propriedades balísticas e criogênicas [3].

As ligas Al-Mg também se destacam por uma ampla faixa de resistência e capacidade de apresentar excelente qualidade de acabamento superficial, como brilho intenso e baixa rugosidade. Essa combinação favorável amplia significativamente o uso dessas ligas, que com baixos teores de ferro e tratamentos adequados podem ser usadas na fabricação de acessórios para automóveis, componentes arquitetônicos e outras aplicações decorativas. As ligas geralmente usadas nessas aplicações são as ligas 5X57 e as ligas de uso mais geral, como a 5005 e a 5050. A estreita limitação dos teores de impurezas de muitas ligas 5X57 é um importante fator que contribui para a obtenção de acabamentos uniformes e brilhantes. O melhor acabamento é obtido para os níveis de impurezas mais baixos, como nas ligas 5252 e 5657 [3]. 

As tabelas 5.1 e 5.2 apresentam respectivamente a composição química e as principais propriedades mecânicas de algumas ligas Al-Mg mais utilizadas [3]:

Tabela 5.1 - Composição química de ligas Al-Mg (% em massa).

Liga Mg Mn Cr Ti Al5005 0,8 - - - Restante5042 3,5 0,35 - - Restante5050 1,4 - - - Restante5052 2,5 - 0,25 - Restante5252 2,5 - - - Restante5154 3,5 - 0,25 - Restante5454 2,7 0,8 0,12 - Restante

5654 3,5 - 0,25 0,10 Restante5456 5,1 0,8 0,12 - Restante5457 1,0 0,30 - - Restante5657 0,8 - - - Restante5082 4,5 - - - Restante5182 4,5 0,35 - - Restante5083 4,4 0,7 0,15 - Restante5086 4,0 0,45 0,15 - Restante

Tabela 5.2 - Propriedades Mecânicas de ligas Al-Mg. 

Liga TêmperaResistência

à tração (MPa)

Resistência ao

escoamento (MPa)

Alongamento em 50 mm

(%)

Dureza Brinell (HB)

Resistência à fadiga (MPa)

5005 O 125 40 25 28 -5005 H34 160 140 8 41 -5005 H38 200 185 5 55 -5042 H19 360 345 4,5 - -5050 O 145 55 24 36 855050 H34 190 165 8 53 905050 H38 220 200 6 63 955052 O 195 90 25 47 1105052 H34 260 215 10 68 1255052 H38 290 255 7 77 1405252 O 180 85 23 46 -5252 H25 235 170 11 68 -5252 H28 285 240 5 75 -5154 O 240 115 27 58 1155154 H38 330 270 10 80 1455154 H112 240 115 25 63 1155454 O 250 115 22 62 -5454 H34 305 240 10 81 -5454 H111 260 180 14 70 -5454 H112 250 125 18 62 -5056 O 290 150 35 65 1405056 H18 435 405 10 105 1505056 H38 415 345 15 100 1505456 O 310 160 24 - -5456 H112 310 165 22 - -5456 H116 350 255 16 90 -5457 O 130 50 22 32 -5457 H25 180 160 12 48 -5457 H28 205 185 6 55 -5657 O 110 40 25 28 -5657 H25 160 140 12 40 -5657 H28 195 165 7 50 -5082 H19 395 370 4 - -5182 O 275 130 21 - -5182 H19 420 395 4 - -

5083 O 290 145 22 - -5083 H116 315 230 16 - 1605086 O 260 115 22 - -5086 H34 325 255 10 - -5086 H112 270 130 14 - -5086 H116 290 205 12 - -

 

 

Ligas Al-Mg-Si  Nas ligas da série 6XXX o magnésio e o silício combinam-se para formar o composto intermetálico Mg2Si, que antes de atingir o equilíbrio no superenvelhecimento, é o responsável pelo endurecimento dessas ligas. A solubilidade da fase Mg2Si (beta) na matriz rica em alumínio (alfa) aumenta com a elevação da temperatura. O tratamento de solubilização e envelhecimento artificial controlado permite a precipitação da segunda fase (beta) a partir de uma solução sólida supersaturada. Isso favorece a formação de precipitados finos e uniformemente distribuídos, que acarretam um substancial aumento na dureza do material [3,5,6].

O aumento da dureza com o tempo e a temperatura de envelhecimento estão relacionados com o crescimento das partículas de segunda fase, desde dimensões características de zonas de Guinier-Preston [7] até partículas com menor grau de coerência [8,9]. A queda de dureza, que ocorre para tratamentos térmicos em altas temperaturas e/ou longos tempos de envelhecimento, está relacionada com o crescimento excessivo dos precipitados, favorecendo o movimento das discordâncias quando de uma solicitação mecânica, o que possibilita o amolecimento da liga, e que caracteriza o superenvelhecimento [8].

Em temperaturas de envelhecimento da ordem de 200ºC, a precipitação nestas ligas tem uma cinética relativamente rápida. O processo inicia-se através da formação de aglomerados (clusters) de átomos de silício, uma vez que a solubilidade do silício no alumínio é menor do que a do magnésio. Esses aglomerados estão distribuídos homogeneamente através da matriz. As lacunas retidas com o resfriamento rápido favorecem o aumento da difusividade dos átomos de silício, acelerando o processo [10-14].

Aos poucos, os átomos de magnésio difundem-se para esses aglomerados de silício e ligando-se a estes formam as chamadas zonas de Guinier-Preston (GP). A formação das zonas GP a 200ºC é rápida. Estas possuem formato aproximadamente esférico e à medida que crescem, transformam-se em precipitados com forma de agulhas, conhecidos na literatura como beta" [5,7]. Ao contrário dos precipitados intermediários, as zonas GP não têm estrutura cristalina definida, caracterizando-se por desordem interna [15]. Essas zonas podem atuar como núcleos para a formação de precipitados intermediários [16-18]. Outros tipos de heterogeneidades, como discordâncias e contornos de grão, podem favorecer a nucleação de precipitados [7, 9]. Enquanto alguns pesquisadores [3,5,16,17] afirmam que o processo de precipitação é contínuo, outros consideram-no descontínuo, ou seja, que a formação de determinados tipos de precipitados

ocorreria a partir da dissolução dos precipitados anteriores.

Após algum tempo de envelhecimento a 200ºC formam-se os precipitados beta" [3,16,17]. O precipitado de transição desenvolve-se por um processo de ordenamento do espaçamento e do arranjo atômico nos aglomerados de átomos de magnésio e silício [19].

Prolongando-se o envelhecimento a 200ºC surgem os precipitados beta', que originam-se do crescimento e transformação dos precipitados beta". Esses dois precipitados são bem distintos: enquanto beta" é totalmente coerente, beta' é semi-coerente, além das diferenças quanto ao tamanho (os precipitados beta" são bem menores que os beta') e forma (beta" em forma de agulhas e beta' em forma de bastonetes) [20]. Os valores máximos de dureza obtidos nestas ligas Al-Mg-Si estão associados à presença dos precipitados metaestáveis beta" e beta' [3].

Para tempos de envelhecimento a 200ºC muito longos surge o precipitado de equilíbrio b, completamente incoerente com a matriz. Este precipitado, cuja composição química corresponde à relação estequiométrica Mg2Si, possui forma de plaqueta e dimensões relativamente grandes. Sua presença está associada ao amolecimento da liga acarretado pelo superenvelhecimento. A seqüência de precipitação nas ligas Al-Mg-Si seria portanto a seguinte [3,5]:

Solução sólida --> zonas GP (esféricas) --> beta" (agulhas) --> beta' (bastonetes) --> b (plaquetas quadradas) : Mg2Si. 

Ligas Al-Mg-Si-Cu

A introdução de elevados teores de cobre (da ordem de 0,7 a 1,0 %) nas ligas da série 6XXX enriquece estas ligas com outros tipos de precipitados endurecedores além de beta" (em forma de agulhas) e beta' (em forma de bastonetes). Foram identificados também, nestas ligas que contêm cobre, precipitados em forma de ripas, ainda não identificados, mas que podem ser precipitados intermediários da fase Q'(composição aproximada: Al4Cu2Mg8Si7), da fase theta" (Al2Cu) ou da fase S' (Al2CuMg). É possível que todas essas fases estejam presentes nas ligas Al-Mg-Si-Cu [21-24].

Chakrabarti e outros [25] afirmam que, ao contrário das fases beta", Q' e theta", é improvável, do ponto de vista da termodinâmica, a presença das fases S' ou S (resultante da transformação da fase S' mencionada em precipitados termodinamicamente estáveis) nas ligas Al-Mg-Si-Cu e que estas fases não poderiam coexistir com as fases Q' e Q (analogamente proveniente da transformação da fase Q' em precipitados de equilíbrio) , presentes nas ligas com teor de silício razoavelmente alto. A fase Q' teria a mesma morfologia (forma de ripas alongadas) e estrutura cristalina da fase Q (hexagonal compacto: a = 1,04 nm e c = 0,405 nm) diferenciando-se desta somente pelas menores dimensões e pelo fato de ser coerente. Para tempos de envelhecimento mais prolongados, a tendência é o aumento da presença da fase Q' quando comparada com a fase beta", que predomina no início do envelhecimento [25-28]. Ao contrário da fase beta", que apresenta seção reta circular, a fase Q' possui seção reta retangular. O grande efeito de endurecimento por precipitação associado à presença desta fase explicaria o ganho de dureza e de resistência mecânica associado às adições de cobre às ligas Al-Mg-Si. A fase Q' (e a Q) também pode ser encontrada em ligas Al-

Cu-Mg (série 2XXX) com adições de silício. Considerando-se as regiões de estabilidade das diferentes fases endurecedoras em função dos teores de magnésio, silício e cobre, verifica-se que a composição da liga 6013, que possui um pequeno excesso de silício, corresponde à presença das fases beta", theta", Q' e Si (aglomerados de átomos de silício) [25]. 

Além do cobre, outro elemento importante nestas ligas é o manganês, embora em teores mais baixos, da ordem de 0,3 a 0,6 %. Este elemento combina-se com o ferro e o silício para formar as fases AlFeMnSi e Al15Mn3Si2 [21,22]. Quando o teor de ferro é muito alto, quando comparado com o teor de manganês, predomina a fase AlFeSi, que é tanto mais grosseira, quanto maior o teor de ferro. Nesse caso, esta fase é conhecida como b-AlFeSi [29-34]. Quando o teor de ferro é mais baixo e o teor de manganês relativamente baixo, ainda predomina a fase AlFeSi, embora esta se apresente sob a forma de partículas bem mais finas, denominando-se então fase alfa-AlFeSi. Quando o teor de manganês é semelhante ao teor de ferro, prepondera a fase AlFeMnSi, uma vez que boa parte dos átomos de ferro são substitídos por átomos de manganês [34].Quando o teor de ferro é bem mais baixo que o teor de manganês, prepondera a fase AlMnSi, que se apresenta sob a forma de dispersóides finos, quando o teor de manganês é alto. O tamanho e a distribuição dessas fases influi bastante sobre o comportamento da liga 6013 no que se refere à recristalização. As partículas finas (dispersóides com maior teor de manganês) atuam como obstáculos ao movimento dos contornos de grão, retardando a recristalização e o crescimento de grão [21,35]. Por outro lado, as partículas grosseiras (mais ricas em ferro) favorecem a recristalização, na medida em que com a deformação, a região adjacente a estas partículas grosseiras apresentam maior grau de deformação (maior densidade de discordâncias) e por isso atuam como sítios mais eficazes para a nucleação preferencial de grãos recristalizados [21,35]. Além disso, o livre caminho médio para a migração de contornos é maior entre estas partículas mais grosseiras, que portanto não retardam de modo significativo a recristalização. Deste modo, o material que contém partículas grosseiras tem a recristalização acelerada em comparação com o que contém partículas finas [21,22,35].

Sendo assim, ao passo que o cobre influi no endurecimento por precipitação da liga, o manganês afeta a cinética de recristalização da mesma.

Processamento e aplicações das ligas da série 6xxx

As ligas da série 6xxx apresentam duas características que justificam o seu uso mais freqüente quando comparadas às demais ligas de alumínio: a capacidade de endurecimento por precipitação (são termicamente tratáveis) aliada à facilidade de serem extrudadas. Estas ligas apresentam elevada dutilidade, que permite o seu uso em operações que acarretam elevados graus de deformação, como a extrusão. Por esse motivo, as ligas Al-Mg-Si representam a maior parte do volume de ligas de alumínio extrudadas [36-41]. 

Além da maior facilidade de serem trabalhadas, quando comparadas com as demais ligas termicamente tratáveis (Al-Zn-Mg e Al-Cu) [36,37], as ligas Al-Mg-Si apresentam maior soldabilidade [42] e maior resistência à corrosão [3] do que as demais ligas termicamente tratáveis (Al-Zn-Mg e Al-Cu). Assim, as ligas da série 6xxx são as mais utilizadas comercialmente.

Com o objetivo de superar as limitações das ligas Al-Mg-Si para aplicações em que se exige níveis de resistência mecânica mais elevados, recentemente foram introduzidas as ligas Al-Mg-Si-Cu: 6013, 6056 e 6111 [21,22,24,43-45]. A adição de elevados teores de cobre permite obter resistência mecânica bem mais alta do que a das tradicionais ligas Al-Mg-Si sem cobre, atingindo valores comparáveis às das ligas da série 2xxx, sem contudo prejudicar sensivelmente as características que favorecem a sua utilização em processos como extrusão e soldagem [21,22,24].

As ligas de alumínio da série 6xxx são utilizados em uma ampla variedade de aplicações, desde o uso em perfis de arquitetura, como é o caso das ligas mais diluídas e conseqüentemente de menor resistência mecânica, como a 6063 e a 6060, até as chamadas ligas de aplicação estrutural com maiores teores de elementos de liga e maior dureza, como a 6061 e a 6351, com grande potencial de aplicação na indústria automobilística [36-40] Para aplicações na indústria aeronáutica normalmente utilizam-se as ligas das séries 2xxx e 7xxx. As novas ligas Al-Mg-Si-Cu podem não só substituir as tradicionais ligas Al-Mg-Si de aplicação estrutural (como a 6061) como também podem ser usadas em várias aplicações na indústria aeronáutica ainda reservadas às ligas Al-Cu e Al-Zn-Mg [46-48]. 

Entretanto, como a introdução destas ligas Al-Mg-Si-Cu no mercado é ainda muito recente, é muito importante uma investigação quanto à microestrutura e propriedades para uma avaliação precisa de seu potencial, uma vez que não há muitos dados disponíveis sobre este novo subgrupo de ligas na literatura. Entretanto, a partir dos primeiros estudos, com ênfase na análise de propriedades mecânicas como dureza e resistência à tração, já se pode dizer que essas novas ligas poderão ser aplicadas em diversos componentes do automóvel, como o chassi, carroceria, barra de direção, rodas, painéis internos e externos entre vários outros [2,49]. 

Além das ligas trabalhadas da série 6xxx, no grupo das ligas que contêm Si, Mg e Cu como seus principais elementos de liga, devem ser mencionadas as ligas fundidas da série 3xx.x, entre as quais as ligas 380.0, 356.0, 390.0,360.0, 359.0, 357.0, 355.0, 332.0, 319.0, 324.0, 384.0, 364.0, 392.0 e 336.0 [1,3]. 

As tabelas 6.1 e 6.2 mostram, respectivamente, a composição química e as propriedades mecânicas de algumas ligas trabalhadas da série 6xxx [3].

Tabela 6.1 - Composição química de ligas Al-Mg-Si

Liga Mg Si Cu Mn Cr

6101 0,6 0,5 - - -6201 0,8 0,7 - - -6009 0,6 0,8 0,37 0,5 -6010 0,8 1,0 0,37 0,5 -6013 1,0 0,8 0,9 0,6 -6022 0,58 1,28 0,07 0,08 -6151 0,6 0,9 - - 0,256351 0,6 1,0 - 0,6 -

6951 0,6 0,35 0,28 - -6053 1,2 0,7 - - 0,256061 1,0 0,6 0,2 0,28 0,26262 1,0 0,6 0,28 - 0,096063 0,7 0,4 - - -6066 1,1 1,3 1,0 0,8 -6070 0,8 1,3 0,28 0,7 -

Obs. : Alumínio é o restante (em todas as ligas). A liga 6262 contém também 0,6 % Bi e 0,6 % Pb.

Tabela 6.2 - Propriedades mecânicas de ligas Al-Mg-Si

Liga Têmpera

Limite de resistência

à tração (MPa)

Limite de resistência

ao escoamento

(MPa)

Alongamento em 50 mm

(%)

Dureza Brinell

Limite de resistência

à fadiga (MPa)

6101 T6 220 195 15 71 -6201 T81 330 - 6 - 1056009 T4 230 125 25 62 -6010 T4 290 170 24 78 -6013 T651 406 372 9 132 -6151 T6 330 295 17 100 856351 T6, T651 340 295 13 95 906951 T6 270 230 13 82 -6053 T6 255 220 13 80 906063 T6 240 215 12 73 706463 T6 240 215 12 74 706061 T6 310 275 12 95 956262 T9 400 380 10 120 906066 T6, T651 395 360 12 120 1106070 T6 380 350 10 120 95

 

 

Ligas Al-Mn  Ao contrário das ligas Al-Cu, as ligas Al-Mn (série 3XXX da Aluminum Association entre as ligas trabalhadas) não são endurecíveis por precipitação, ou sejam, não obtêm nenhum ganho de dureza mediante tratamento térmico (o chamado envelhecimento). Como as ligas dos sistemas Al-Si (série 4XXX) e Al-Mg (série 5XXX) (Al-Mg), as ligas Al-Mn somente podem ser endurecidas por encruamento (trabalho mecânico). Entretanto, as ligas não tratáveis termicamente contendo mais de 1 % de manganês, como por exemplo a 3003, muito utilizada na fabricação de panelas, possuem considerável importância comercial. Outro exemplo de liga do sistema Al-Mn de larga aplicação industrial é a 3004, utilizada na fabricação de latas para acondicionamento de bebidas. O manganês também é usado como

elemento de liga minoritário em ligas dos sistemas Al-Cu (série 2XXX) e Al-Mg-Si (série 6XXX) e de um modo geral aumenta a resistência mecânica das ligas trabalhadas, seja através da formação de fases intermetálicas como AlFeMnSi e AlMnSi, ou por meio de endurecimento por solução sólida. Entretanto, em quantidade excessiva as fases intermetálicas podem reduzir a dutilidade. Outro efeito importante do manganês no alumínio e suas ligas é a redução da susceptibilidade à corrosão sob tensão [3].

Nas ligas Al-Mn a temperatura eutética é 660 ºC a um teor de 1,9 %. O limite de solubilidade do manganês no alumínio nesta temperatura é 1,8 %. A fase intermetálica, que existe em equilíbrio com a solução sólida de alumínio, tem uma composição que corresponde praticamente à fórmula Al6Mn. Esta fase separa-se da fase líquida que contém 1,9 a 4,1 % de manganês. Quando as soluções sólidas possuem maiores teores, ela se forma pela reação peritética entre Al4Mn e a fase líquida a 710 ºC [3].

A única fase metaestável conhecida no sistema Al-Mn tem a composição Al12Mn com 14,5 % de manganês. Ferro e silício acima de 0,2 % suprimem a formação de Al12Mn. Por outro lado, a presença de cromo estabiliza essa fase. No sistema Al-Mn-Cr existe uma fase ternária que se forma apenas no estado sólido por reação peritetóide a 590 ºC. Esta fase é a Al12(CrMn) com uma composição de 2 % a 4 % de cromo e 10 a 12 % de manganês. Esta fase ternária é isomórfica com a fase Al12Mn [3]. A liga 3003, bastante utilizada, consiste basicamente na adição de manganês ao alumínio comercialmente puro. As fases preponderantes são Al6(Mn.Fe) e Al12(Fe,Mn)3Si. Durante a solidificação predomina a fase que não contém silício, porém o aquecimento posterior leva à formação da fase que contém silício. O manganês também precipita sob a forma de partículas dispersóides, os quais dificultam muito a recristalização durante o recozimento posterior à deformação, quando comparada com o alumínio comercialmente puro, que praticamente não contem esses dispersóides. Entretanto, nas ligas 3xxx parte do manganês permanece em solução sólida. Algumas ligas desse sistema também contêm magnésio, que devido à sua grande afinidade com o silício tende a favorecer a formação da fase Al6(Mn,Fe) [3]. A liga 3003 é a liga Al-Mn mais antiga no mercado, tendo sido introduzida em 1906, mas ainda é a de maior importância econômica. A liga 3004 é a mais antiga entre as ligas Al-Mn-Mg, tendo surgido em 1929. A resistência mecânica da liga 3003 é significativamente mais elevada do que a do alumínio comercialmente puro 1100, ao passo que a liga 3004 possui resistência mecânica mais alta do que a da liga 3003. A liga 3004 é um exemplo de liga endurecida por dispersão, enquanto a liga 3004 combina o endurecimento por dispersão com o endurecimento por solução sólida proporcionado pela presença de magnésio. A liga 3004 é indicada para aplicações nas quais se exige maior estabilidade de tamanho de grão. Entretanto, as duas ligas apresentam excelente resistência à corrosão, combinada com razoável resistência mecânica razoável, podendo ser usadas em muitas das aplicações para as quais são utilizados o alumínio comercialmente puro e as ligas alumínio-magnésio [3].

Posteriormente, nos anos 50 e 60 foram desenvolvidas outras ligas, como a 3005 e a 3105, com o objetivo de ampliar o campo de aplicações desse grupo de ligas, ao oferecer combinações de resistência mecânica, conformabilidade e resistência à corrosão para aplicações em construção e produtos especiais [3]. 

De um modo geral pode-se dizer que as ligas Al-Mn possuem melhores propriedades mecânicas que o alumínio comercialmente puro, dutilidade ligeiramente inferior e boa resistência à corrosão [1]. As tabelas mostradas a seguir apresentam a composição química e propriedades mecânicas de algumas ligas do

sistema Al-Mn [3]:

Composição química: ligas Al-Mn

Liga Manganês Magnésio Cobre Alumínio3102 0,22 - - Bal.3003 1,20 - 0,12 Bal.3004 1,20 1,00 - Bal.3104 1,10 1,00 - Bal.3005 1,20 0,40 - Bal.3105 0,60 0,50 - Bal.

Propriedades mecânicas: ligas Al-Mn

Liga

Limite de resistência mecânica

(MPa)

Limite de resistência ao escoamento

(MPa)

Alonga-mento (%) em 50 mm

Dureza Brinell

Limite de resistência

à fadiga (MPa)

3003 recozida 110 40 30 28 503003

encruada (H18)

200 185 4 55 70

3004 recozida 180 70 20 45 953004

encruada (H38)

285 250 5 77 110

3104 encruada

(H19)290 260 4 - -

3005 recozida 130 55 25 - -3005

encruada (H18)

240 225 4 - -

3105 recozida 115 55 24 - -3105

encruada (H18)

215 195 3 - -

 

 

Ligas Al-Si  As ligas do sistema Al-Si, também consideradas não tratáveis termicamente, são muito mais utilizadas como ligas de fundição (série 4XX.X), ou seja, para a fabricação de peças fundidas, como por exemplo, pistões para motores de automóveis e aviões, mas também encontram algumas aplicações como produtos trabalhados, como metais de adição para soldagem (caso da liga 4043), principalmente, embora também possam ser usados para a fabricação de pistões

forjados e também em algumas aplicações arquitetônicas [1,3].

O amplo uso das ligas Al-Si em aplicações nas quais a qualidade da estrutura resultante da solidificação é tão importante (fundição e soldagem) está relacionado com as características que o seu principal elemento de liga, o silício, confere às ligas de alumínio. Nestas ligas o silício é usado em teores de até 12 ou 13 % e aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que o mesmo flua melhor através das cavidades do molde de fundição, permitindo a obtenção de produtos com formatos mais complexos. Também propicia a redução da contração durante o resfriamento, reduz a porosidade nas peças fundidas, reduz o coeficiente de expansão térmica e melhora a soldabilidade. Em teores mais elevados dificulta a usinagem. Ao ser combinado com o magnésio torna a liga tratável termicamente. Deve estar preferencialmente presente sob a forma de cristais arredondados e dispersos na liga de alumínio, o que pode ser obtido pelo tratamento de "modificação", que consiste na adição de um pequeno teor de sódio às ligas Al-Si, alterando a microestrutura da liga favoravelmente sob o ponto de vista das propriedades mecânicas, já que a microestrutura de placas angulares de silício provocariam concentração de tensões, prejudicando as propriedades mecânicas da mesma [1]. O tratamento térmico (recozimento) permite o coalescimento e a esferoidização do silício A dureza das partículas de silício promove o aumento da resistência ao desgaste destas ligas. O sistema Al-Si, com solubilidade sólida limitada em ambas as extremidades, forma um eutético simples à temperatura de 580 ºC para um teor de 12,5 % de silício [3].

O ferro, normalmente presente nas ligas de alumínio como impureza, se estiver presente em teores elevados (acima de 1,5 %), pode levar à formação de partículas grosseiras de fase AlFeSi, prejudicando as propriedades mecânicas desses materiais [1,3]. Entretanto, em teores mais baixos o ferro minimiza a tendência da liga Al-Si soldar-se ao molde metálico na fundição em molde permanente (coquilhas e outros tipos) [1]. As duas fases ternárias AlFeSi que podem estar em equilíbrio com o alumínio são a fase alfa (Al8Fe2Si) e beta (Al5FeSi). Outras fases, menos comuns, são a delta (Al4FeSi), que aparece em ligas de alto teor de silício, e a gama (Al3FeSi), que se forma em ligas com alto teor de ferro e de silício. A fase a aparece geralmente sob a forma de "escrita chinesa" ("Chinese script") ou como partículas arredondadas muito pequenas, sendo mais favorável às propriedades mecânicas no último caso. A fase b surge como plaquetas ou agulhas finas e compridas, sendo em geral mais nocivas às propriedades mecânicas das ligas de alumínio. Estas fases também podem surgir em outros tipos de liga de alumínio, desde que os teores de ferro e silício não sejam muito baixos. Como a maioria das ligas comerciais são produzidas em condições de não equilíbrio termodinâmico, é freqüente o aparecimento de outras fases como Al6Fe, Al3Fe, Al6FeSi e Al4FeSi2. O tratamento térmico, ao proporcionar a difusão dos átomos, permite modificar a forma dessas partículas, o que inviabiliza sua identificação através da morfologia somente [3].

O cobre também pode ser adicionado às ligas do sistema Al-Si, dando origem ao subgrupo Al-Si-Cu [3]. Sua principal virtude, como nas ligas Al-Cu, é aumentar a resistência mecânica da liga, tanto antes como após tratamento térmico. Sendo assim, o cobre torna as ligas Al-Si-Cu tratáveis termicamente, ou seja, passíveis de endurecimento mediante tratamento térmico de envelhecimento (endurecimento por precipitação). O cobre é adicionado em teores entre 3 e 11 %, que permitem que este elemento esteja total ou parcialmente solúvel no alumínio em temperaturas logo abaixo do ponto de fusão. Do ponto de vista do processo de fundição, favorece a diminuição da contração interna durante o resfriamento e a melhoria da usinabilidade das peças fundidas. Entretanto, ao contrário do silício, acarreta

fragilidade a quente e menor fluidez, além de reduzir a resistência à corrosão [1]. A fragilidade a quente é maior no limite de solubilidade sólida, quando a quantidade de eutético na liga é mínima. No sistema Al-Si-Cu não se formam fases ternárias, as fases em equilíbrio são Al2Cu e silício. Numa liga de alumínio a presença de um segundo elemento de liga normalmente reduz a solubilidade sólida do primeiro e vice-versa. A solidificação em condições de não equilíbrio praticamente não altera as características de cada fase presente na liga [3].

O magnésio, ao ser adicionado às ligas Al-Si, torna as mesmas termicamente tratáveis, devido à formação da fase Mg2Si, que é a responsável pelo endurecimento das ligas Al-Mg-Si (série 6XXX). Entretanto, no caso das ligas Al-Si o teor de magnésio não poder ser muito elevado a ponto de dificultar a fundição, devido à formação da borra (oxidação excessiva do banho). Por outro lado, o magnésio melhora a resistência à corrosão e a usinabilidade [1].

O titânio é adicionado em pequenos teores (de 0,05 a 0,20 %) como refinador de grão, tendo como conseqüência o aumento da resistência à tração e da dutilidade, reduzindo porém a condutividade térmica [1].

O boro é empregado em teores ainda mais baixos (até 0,01%), juntamente com o titânio, tem por efeito reforçar o efeito deste e torná-lo mais duradouro em caso de refusões [1].

Outros elementos podem ser adicionados de modo complementar para a obtenção de efeitos específicos. É o caso do ferro, manganês, cromo, níquel e zinco. O ferro, por exemplo, é adicionado para reduzir a contração, mas também ajuda a refinar o grão e favorece a extração das peças fundidas ao molde, diminuindo o agarramento. Entretanto, seu teor deve ser controlado, geralmente entre 0,15 a 1,2 %, pois acima desta faixa causa sérios prejuízos às propriedades mecânicas [1]. O manganês age como refinador de grão e permite reduzir a contração durante o resfriamento/solidificação, além de proporcionar melhoria na resistência à tração em alta temperatura. Entretanto, seu teor não pode ser muito elevado, já que nesse caso, juntamente com o ferro, leva à formação de partículas grosseiras que causam perda de dutilidade [1]. O cromo é utilizado como refinador de grão, ao ser adicionado juntamente como o titânio. Também é usado para diminuir a incidência de trincas resultantes de tensões e de corrosão sob tensão, além de proporcionar aumento de resistência mecânica em temperaturas elevadas [1]. O níquel permite melhorar a estabilidade dimensional e a resistência mecânica em temperaturas elevadas, sendo portanto muito usado na fabricação de pistões para motores. Entretanto, um teor de níquel da ordem de 5 % causa elevada contração. Sendo assim, comercialmente utiliza-se o níquel em teores que vão de 0,5 a 3 % [1]. O zinco, especialmente quando adicionado conjuntamente com o magnésio, resulta em maior resistência ao impacto, alta resistência à tração e ótima dutilidade. Em ligas que contêm cobre pequenos teores de zinco proporcionam melhor usinabilidade. Contudo, altos teores de zinco apresentam inconvenientes tais como a fragilidade a quente elevada contração. 

As tabelas 4.1 e 4.2 apresentam a composição química e as propriedades mecânicas de algumas ligas Al-Si com muito usadas na fabricação de peças fundidas [3]. 

Tabela 4.1 - Composição química nominal de algumas ligas Al-Si fundidas (% em

massa).

Liga Si Fe Cu Mg Zn Al413.0 12 2,0 máx 1,0 máx 0,10 máx - Bal.

A 413.0 12 1,3 máx 1,0 máx 0,10 máx - Bal.443.0 5,25 0,8 máx 0,6 máx 0,05 máx 0,50 máx Bal.

A 443.0 5,25 0,8 máx 0,30 máx 0,05 máx 0,50 máx Bal.B 443.0 5,25 0,8 máx 0,15 máx 0,05 máx 0,35 máx Bal.C 443.0 5,25 2,0 máx 0,6 máx 0,10 máx 0,50 máx Bal.444.0 7,0 0,6 máx 0,25 máx 0,10 máx 0,35 máx Bal.

A 444.0 7,0 0,20 máx 0,10 máx 0,05 máx 0,10 máx Bal.

Tabela 4.2 - Propriedades mecânicas de duas ligas Al-Si fundidas em molde de areia. 

Liga TêmperaResistência à tração (MPa)

Resistência ao

escoamento (MPa)

Alongamento (%)

Dureza Brinell

443.0 F 131 55 8,0 40A 444.0 F 145 62 9,0 -A 444.0 T4 159 62 12,0 -

 

 

Ligas Al-Zn  Entre as ligas da série 7XXX (Al-Zn) destacam-se os subgrupos Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu. Assim como as ligas Al-Cu e Al-Mg-Si são ligas endurecíveis por precipitação, ou seja, mediante tratamento térmico controlado em condições específicas, geralmente de solubilização e envelhecimento, apresentam ganhos significativos de dureza. Encontram sua principal aplicação na fabricação de aviões, uma vez que essas ligas da série 7XXX são aquelas que atingem os níveis mais elevados de resistência mecânica entre as ligas de alumínio [3].As temperaturas solvus (temperatura acima da qual os elementos de liga entram sem solução) das ligas da série 7XXX são relativamente baixas quando comparadas com outros tipos de liga de alumínio. Uma temperatura típica de solubilização de uma liga Al-Zn-Mg seria em torno de 480 ºC, enquanto para uma liga Al-Mg-Si seria aproximadamente 560 ºC [3]. 

O zinco, por si só, é altamente solúvel no alumínio e não exerce influência apreciável na microestrutura de uma liga simples como a 7072. Entretanto, o tipo de liga Al-Zn mais freqüentemente usado contém também magnésio e cobre, assim como elementos adicionais como cromo, manganês e zircônio, além do ferro e do silício normalmente presentes mesmo como impurezas. Nesse tipo de liga as fases em equilíbrio com a matriz rica em alumínio são a fase heta, também chamada M (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3) e a fase beta (Al3Mg5). Esta última somente aparece quando o teor de magnésio é muito mais alto que o teor de alumínio. Além da formação da fase heta (M) endurecedora, o magnésio tem importante efeito no

endurecimento por solução sólida [3].

O endurecimento por precipitação nas ligas que contêm zinco em excesso (em relação ao magnésio) ocorre em uma seqüência que se inicia com a formação de zonas GP a partir da solução sólida supersaturada, seguida pelo aparecimento dos precipitados coerentes metaestáveis M' até chegar na fase de equilíbrio M, já na etapa de superenvelhecimento, caracterizada pela queda de dureza. Se o teor de magnésio for um pouco mais alto que o de zinco, ocorre seqüência de precipitação semelhante, havendo entretanto a formação da fase T ao invés da fase M [3].

Nas ligas quaternárias que contêm cobre, o zinco é o principal elemento de liga, mas o teor de magnésio é superior ao teor de cobre. A composição da fase M varia de MgZn2 até AlCuMg e pode ser descrita como Mg(Al,Cu,Zn)2. A fase T varia de Al2Mg3Zn3 até Al6CuMg4 e pode ser descrita como Mg3(Al,Cu,Zn)5. Se o teor de cobre for muito alto aparece a fase S (Al2CuMg), cuja variação de composição é pouco significativa. De um modo geral nas zonas GP e precipitados coerentes o teor de cobre é menor do que nos precipitados de equilíbrio. O ferro, o silício e o manganês interagem uns com os outros e também com o cobre e com o magnésio. O cromo reage com o alumínio e o magnésio para formar um dispersóide [3].

Ao ser fundida, e antes de ser trabalhada, a liga 7075 forma uma ou mais variantes de Al12(Fe,Cr)3Si, Mg2Si e um pseudo-binário eutético feito de alumínio e MgZn2. Esta fase contém alumínio e cobre como substitutos parciais do zinco e pode ser descrita como Mg(Zn,Cu,Al)2. O tratamento térmico posterior faz com que as fases ricas em ferro transformem-se em Al7Cu2Fe. A fase Mg2Si é relativamente insolúvel e tende a se esferoidizar até certo ponto. A fase Mg(Zn,Cu,Al)2 rapidamente começa a se dissolver , ao mesmo tempo que formam-se alguns precipitados de Al2CuMg, os quais necessitam de altas temperaturas e longos tempos para serem completamente dissolvidos. O cromo se precipita da solução sólida supersaturada como dispersóides de Al18Cr2Mg8, concentrado principalmente nas regiões dendríticas primárias. Uma liga Al-Zn-Mg bem solubilizada contém apenas Al7Cu2Fe, Al12(Fe,Cr)3Si e Mg2Si e o dispersóide mencionado. Os grãos recristalizados são muito alongados ou achatados por causa do bandeamento de dispersóides e regiões não recristalizadas não são incomuns. As regiões não recristalizadas são formadas por subgrãos muito finos cujos contornos são decorados por precipitados endurecedores. Isso é mais óbvio nas estruturas trabalhadas a quente, principalmente nas regiões mais próximas à superfície, onde a deformação crítica levou à formação de grãos recristalizados grosseiros. Os dispersóides inibem a recristalização, mas favorecem a formação de subgrãos finos. A fase Al3Zr é coerente com a matriz tem efeitos semelhantes [3].

O recozimento nas ligas termicamente tratáveis tem dois propósitos: a remoção dos efeitos do trabalho a frio residual e a precipitação de soluto a partir da solução sólida. O último é acompanhado por um resfriamento lento controlado, resultando numa distribuição aleatória de precipitados. A presença desses precipitados densamente distribuídos torna a difícil a revelação da estrutura de grãos resultante da têmpera O (recozida) [3].

Outras ligas da série 7XXX de média e alta resistência mecânica representam variações da liga 7075. A liga 7050, com mais altos teores de cobre e zinco possui maior quantidade de Al2CuMg para ser dissolvido na temperatura de solubilização. Ligas mais diluídas podem mais facilmente dissolver todas as fases ricas em zinco. Sinais de superaquecimento nas ligas da série 7XXX estão geralmente relacionados com regiões segregadas com concentração incomum de Al2CuMg. A

liga homogênea tem uma temperatura solidus de equilíbrio muito acima da faixa de tratamento térmico. Entretanto, se há presença acentuada de Al2CuMg, taxas de aquecimento muito rápidas podem resultar no aparecimento de rosetas, devido à insuficiência de tempo para a difusão e dissolução da partícula, antes de se atingir a temperatura eutética de não equilíbrio [3].

Apesar de sua elevada resistência mecânica, as ligas Al-Zn-Mg foram estudadas por muito tempo, principalmente com o intuito de superar a desvantagem significativa causada por sua baixa resistência à corrosão sob tensão. Embora a liga 7076 tenha sido introduzida na fabricação de aeronaves em 1940, somente com o desenvolvimento da liga 7075, introduzida em 1943, esse tipo de liga ganhou maior presença na indústria aeronáutica. Uma nova versão, com maior resistência mecânica, a liga 7178 apareceu em 1951. A liga de alumínio com maior resistência mecânica já produzida comercialmente, a 7001, foi introduzida em 1960. Entretanto, dificuldades de produção, baixa tenacidade e baixa resistência mecânica na têmpera T73 inviabilizaram seu uso extensivo. Mais recentemente ligas 7X49 e 7X50, assim como novas versões de mais alta pureza da liga 7075 têm sido empregadas em maior escala devido à sua alta resistência mecânica e maior dutilidade. Quando essas ligas Al-Zn-Mg são razoavelamente superenvelhecidas nas têmperas T7X a resistência mecânica atingida é inferior à da têmpera T6, mas consegue-se praticamente a imunidade à corrosão sob tensão [3].

As ligas 7X49, 7X50, 7175 e 7475 nas têmperas T6X e particularmente nas têmperas T7X, assim como as ligas 2124, 2419 e 2048 nas têmperas T8X, apresentam uma combinação favorável de propriedades. Elas têm alta resistência mecânica, alta resistência à corrosão sob tensão, e quando submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos especiais, alta resistência ao crescimento instável de trincas, ou seja, tenacidade à fratura [3].

Nos últimos anos as ligas Al-Zn-Mg têm recebido muita atenção. Essas ligas contêm teores reduzidos de zinco e magnésio com pequenas adições de manganês, cromo, titânio e zircônio. O cobre é eliminado ou limitado a teores muito baixos. Esse controle de composição química reflete-se na completa solubilização dos elementos de liga em temperaturas de tratamento térmico em contraste com as ligas de uso aeronáutico e alta resistência mecânica. Os níveis de resistência mecânica ótimos são atingidos mesmo com taxas de resfriamento lentas. A menor sensibilidade ao resfriamento destas ligas, permite que, quando usadas na fabricação de peças espessas sejam reduzidas as distorções e as tensões residuais. Isso é possível quando apenas zircônio (excluindo-se o cromo e o manganês) é adicionado para controlar o crescimento de grão [3].

A liga 7039 foi desenvolvida para aplicações em blindagem e a liga 7005, extrudada, foi desenvolvida para aplicações estruturais em meios de transporte. As ligas 7016 e 7029 foram introduzidas para aplicações em que se exige bom acabamento superficial em peças brilhantes como pára-choques. Estas ligas contêm cobre em níveis moderados (0,5 a 1,0 %) e nenhum inibidor de recristalização. Entretanto, neste caso são necessários cuidados especiais para evitar crescimento de grão e é necessário um processamento ótimo para evitar a corrosão sob tensão [3].

Nas tabelas 7.1 e 7.2 são mostradas a composição química e propriedades mecânicas de algumas ligas do sistema Al-Zn-Mg [3]:

Tabela 7.1 - Composição química de algumas ligas da série 7XXX (% em massa):

Liga Zn Mg Cu Mn Cr Zr Ti Al7001 7,4 3,0 2,1 - 0,26 - - Bal.7005 4,5 1,4 - 0,45 0,13 0,14 0,03 Bal.7016 4,5 1,1 0,8 - - - - Bal.7021 5,5 1,5 - - - 0,13 - Bal.7029 4,7 1,6 0,7 - - - - Bal.7049 5,6 2,5 1,6 - 0,16 - - Bal.7050 6,2 2,2 2,3 - - 0,12 - Bal.7150 6,4 2,4 2,2 - - - - Bal.7075 5,6 2,5 1,6 - 0,23 - - Bal.7475 5,7 2,2 1,6 - 0,22 - - Bal.7076 7,5 1,6 0,6 0,50 - - - Bal.7178 6,8 2,7 2,0 - 0,23 - - Bal.

Tabela 7.2 - Propriedades mecânicas de algumas ligas da série 7XXX:

Liga Têmpera

Limite de resistência mecânica

(MPa)

Limite de resistência

ao escoamento

(MPa)

Alongamento  %

(em 50 mm)

Dureza Brinell

Limite de resistência

à fadiga (MPa)

7001 T6 675 625 9 160 1507005 T5 360 315 15 96 -7021 T62 420 380 13 - 1387029 T5 430 380 15 - -7049 T73 540 475 10 146 -7050 T74 510 450 13 142 -7075 T6, T73 505 435 13 - 1507475 T7351 505 435 14 - -7076 T61 510 470 14 150 -7178 T6, T651 605 540 10 160 150

 

 

Outras ligas de alumínio  Além das ligas classificadas pela Aluminum Association como ligas das séries 1XXX a 7XXX, existem outras ligas de alumínio, cujo principal elemento de liga é diferente dos elementos de liga mais significativos das ligas dessas séries. Entre estas estão as ligas alumínio-lítio, desenvolvidas nos anos 80 como possíveis alternativas às ligas da série 7XXX (Al-Zn) e que receberam a numeração da série 8XXX, como as ligas 8090 e 8091, por exemplo, além de diversos outros tipos de liga, cujos principais elementos de liga são outros que não o lítio, algumas dessas nem mesmo numeradas oficialmente pela AA. Estas ligas constituem o tema do presente capítulo.

As ligas binárias Al-Li estão entre as de mais baixa densidade entre as ligas de alumínio, uma vez que a densidade do lítio é ainda mais baixa do que a do alumínio: apenas 0,534 g/cm3, contra 2,70 g/cm3 no caso do alumínio, enquanto a maioria dos principais elementos de liga geralmente adicionados ao alumínio têm densidade muito mais alta: 8,92 g/cm3 no caso do cobre, 7,14 g/cm3 no caso do zinco, 7,20 g/cm3 nos casos do manganês e do cromo. Sendo assim, enquanto a adição destes elementos de liga tem o efeito de aumentar a densidade da liga de alumínio, ao contrário do lítio. E como se sabe, uma das principais vantagens do uso das ligas de alumínio é a sua baixa densidade, que aliada a uma boa resistência mecânica que pode ser obtida por meio de diferentes tipos de tratamentos térmicos e mecânicos, as torna o tipo de material mais indicado para várias aplicações industriais. Nas ligas Al-Li o teor de lítio que corresponde à composição eutética é de 9,9 % de lítio e a temperatura eutética é 600 ºC. O lítio possui elevada solubilidade no alumínio (máximo de 5,2 %) e as ligas binárias mostram apreciável capacidade de endurecimento por precipitação, o qual se deve à formação da fase metaestável e ordenada delta' (Al3Li) sob a forma de precipitados finos e dispersos na matriz [3].

Além das ligas binárias Al-Li surgiram com certa presença no mercado outras ligas que contêm Li como um de seus principais elementos de liga, como as ternárias Al-Cu-Li e Al-Mg-Li. A adição de cobre às ligas do sistema binário alumínio-lítio reduz significativamente a solubilidade do lítio, para cerca de 1,5 % a 515 ºC. Para teores mais baixos de lítio, há 3 fases em equilíbrio com o alumínio: a TB, a T1 e a T2. A fase TB é a de composição Al7Cu4Li, correspondendo a 56,5 % de cobre e 1,5 % de lítio. A estrutura é semelhante à da fase theta' (precursora da fase theta: Al2Cu), formada nas ligas Al-Cu endurecíveis por precipitação. A fase T1 (Al2CuLi) contém cerca de cerca de 52,8 % de cobre e 5,4 % de lítio. A fase T2 tem composição química próxima de AlCuLi3 (26,9 % de cobre e 8,8 % de lítio). Dependendo da variação de temperatura e de composição química, podem ser variadas as proporções das fases TX e delta', obtendo-se diferentes níveis de propriedades mecânicas. Entre as liga Al-Cu-Li encontra-se a liga 2090 [3].

A adição de magnésio (densidade: 1,74 g/cm3) às ligas Al-Li, formando as ligas Al-Mg-Li, reduz ainda mais a densidade, mas tem um efeito pouco significativo no módulo de elasticidade. A adição de magnésio também reduz a solubilidade do lítio no alumínio. A presença do lítio restringe o domínio das fases Al8Mg5 e E (AlMg), expandindo porém o campo de existência da fase Al12Mg17 a 470 ºC. Sendo assim, o alumínio está em equilíbrio com ambas as fases Al8Mg5 e Al12Mg17, assim como com as fases Al2LiMg e AlLi. A fase ternária Al2LiMg forma-se com aproximadamente 8,5 % de lítio e 28,2 % de magnésio. Ao se envelhecer uma liga com 5 % de magnésio e 2 % de lítio na faixa de temperaturas de 130 a 180 ºC, surgem as fases delta' (Al3Li) e Al2LiMg. Nas ligas Al-Mg-Li o magnésio contribui para o aumento da resistência mecânica de dois modos: através de endurecimento por solução sólida e pelo decréscimo da solubilidade do lítio no alumínio, o que resulta em aumento na fração volumétrica de delta' [3].

Ligas Al-Fe: o ferro geralmente é uma impureza presente em praticamente todas as ligas de alumínio, mas em algumas ligas de alumínio pode estar presente como um importante elemento de liga, adicionado porém em teores sempre inferiores a 1 %. No sistema Al-Fe forma-se um eutético a 655 ºC com um teor entre 1,7 e 2,2 % de ferro. A fase em equilíbrio com o alumínio é a Al3Fe (40,7 % de ferro), embora possa se aproximar de Al7Fe2 (37,3 % de ferro). A fase Al3Fe forma-se a partir do líquido, já a 1150 ºC e não por reação peritética. Quando o resfriamento é rápido, por exemplo em molde metálico, surge a fase Al6Fe (22,6 %) [3].

Ligas Al-Sn: são usadas para a fabricação de mancais e buchas e apresentam

grande resistência à fadiga e boa resistência à corrosão que poderia ser causada pela ação de óleos lubrificantes. Estas ligas são fabricadas por fundição e no sistema de classificação da Aluminum Association estão representadas pela série 8XX.X. Contudo, a prática de fundição dessas ligas deve ser cuidadosa no sentido de procurar evitar a fissuração a quente. Sendo assim, além de se adicionar ao alumínio fundido o estanho puro e as ante-ligas com cobre e níquel, deve-se tratar o banho com fluxo gasoso de nitrogênio e cloro, ou sólido a base de AlCl3, recomendando-se uma temperatura de fusão e vazamento entre 650 e 700 ºC. As adições de cobre, níquel e silício aumentam a capacidade de carga e a resistência ao desgaste, além de melhorar a microestrutura. A liga Al-Sn mais utilizada é a AA 850.0, que contém 5,5 a 7,0 % de Sn; 0,7 a 1,3 % Cu; 2,0 a 3,0 % Si e 0,3 a 0,7 % Ni, e que ao ser fundida em molde de areia e submetida ao tratamento T5 (envelhecida artificialmente sem solubilização prévia) pode atingir limite de resistência à tração de 190 MPa; ao escoamento de 155 MPa, alongamento de 2 %, dureza Brinell de 65 e limite de resistência à fadiga de 70 MPa, valores que, em caso de fundição em molde permanente sobem para 225 MPa; 160 MPa; 5,0 %; 70 HB e 80 MPa respectivamente. Esse tipo de liga vem sendo usado desde os anos 30 [1].

Nos anos 60 foram introduzidas no mercado as ligas com cerca de 20 % de estanho, atualmente bastante difundidas. Estas ligas contêm cerca de 1 % de cobre que atua como endurecedor em solução sólida do alumínio. A solubilidade do estanho no alumínio solidificado é muito menor do que a solubilidade do estanho no alumínio líquido. A microestrutura dessas ligas é basicamene constituída de estanho praticamente puro entre os grãos de alumínio praticamente puro, o que de certo modo compromete a resistência à tração, o limite de fluência e a dutilidade. Sendo assim, na produção de mancais para automóveis os lingotes de liga Al-Sn com cerca de 20 % de estanho são laminados a frio, de modo a destruir as partículas intergranulares de estanho, sendo posteriormente submetidas a um recozimento a 350 ºC. Como conseqüência o estanho fica numa rede tridimensional em uma matriz de alumínio. O recozimento a 500 ºC permitiria solubilizar até 50 % de estanho na liga [3].