Tecnologia Mecânica - Aluminio e suas ligas

Alumínio e suas Alumínio e suas ligasligas

Prof. Ana Paula BittencourtProf. Ana Paula Bittencourt

Prof. Henrique Cezar PavanatiProf. Henrique Cezar Pavanati

Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas

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PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS NÃO-FERROSOS

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



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LIGAS NÃO FERROSAS

Ligas leves

Ligas resistentesà corrosão

Ligas baixo ponto de fusão

Ligas Refratárias

Ligas Al

Ligas MgLigas Be

Ligas Ti

Ligas Zn

Ligas Mo

Ligas WLigas Ta

Ligas NiLigas Cu

Ligas SnLigas Pb

Ligas NbLigas Re

Ligas Cr



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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Magnésio (Mg)

Berílio (Be)

Alumínio (Al)

Titânio (Ti)

Zinco (Zn)

Ferro (Fe)

Niquel (Ni)

Cobre (Cu)

Estanho (Sn)

Tungsténio (W)

Densidade (ton/m^3)



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ALUMÍNIO E LIGAS



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Histórico do Alumínio

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

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

eletrolítico.



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

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

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

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

CARACTERÍSTICAS GERAIS



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RESERVAS E PRODUÇÃO



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OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO

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

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



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Bauxita + soda cáustica

Sedimentação

Aluminato de Na

Fase química – Da bauxita à alumina

Precipitação

Alumina hidratada

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

Calcinação

Alumina (Al2O3)



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

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

Obtenção do Alumínio Metálico Fase Eletrolítica



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

Obtenção do Alumínio Metálico



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• Processo de Redução ao Alumínio

- pureza: 99,5 a 99,9%

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

• Refino Eletrolítico - Al refinado

- Al comercial é refinado eletroliticamente

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

- pureza: 99,9 a 99,99%

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

- adição de EL - ligas de Al

• Homogeneização e Laminação




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2 ton de Alumina

1 ton de AlumínioPara cada 4,4 ton de Bauxita



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• Elevada Plasticidade - laminados de pouca espessura

(embalagens de bombons, panelas, folhas...)

· Elevada condutividade elétrica (65% do Cu) - emprego no setor elétrico (cabos, fios, etc..). A vantagem do Al é a “leveza”.

· Elevada resistência à corrosão - artigos domésticos, embalagens, etc..

· Baixa densidade - material para construção mecânica (carros,

aeronaves,etc..).

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

RESUMO DAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES



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Perfis Extrudados

Chapas e laminados

Fios e cabos

Folhas

Fundidos e ForjadosPastas e Pó

Aluminas Especias



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COMPARATIVO COM O AÇO

Propriedades FísicasAlumínio Aço

Peso específico (g/cm3) 2,71 7,86

Temperatura de fusão (°C) 655 1300

Módulo de elasticidade (MPa) 69000 205940

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

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

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



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PROPRIEDADES QUÍMICAS

• Reage facilmente com o oxigênio

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

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

• Também resistente a atmosferas sulfurosas ou muito úmidas

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



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FASES E ESTRUTURA ATÔMICA Al puro



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Microestrutura do Al puro

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



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TRATAMENTOS TÉRMICOS DO Al PURO

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

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

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



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ENDURECIMENTO

• Deformação Plástica (encruamento)

• Precipitação (ligas de alumínio)



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ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA

Cu, Mg, Mn, Si, Zn, entre outros

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

promover o aumento da dureza



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Por exemplo... Liga Al-Mg



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Ligas para conformação Ligas para fundição


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

mecânica.

Devem ter resistência mecânica, fluidez e

estabilidade dimensional e térmica para suportar os diferentes processos

de fundição.



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Ligas para conformação

Não endurecíveispor trat. térmico

Endurecíveis portratamento térmico

Ligas para fundição

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

Al-MgAl-MnAl-Si

SOBRE OS ELEMENTOS DE LIGA

•A % de elementos de liga raramente ultrapassa 15%

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

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




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LIGAS Al-Cu



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LIGAS Al-Cu

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

aeronáutica)• Temperatura de trabalho até 150 ºC



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Ligas importantes%Cu Aplicações

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

Parafusos

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

Produtos aeronáuticos, peças forjadas

2219 6,3 %(+0,3Mn+0,1V…)

Uso em temperaturas até 380ºC Peças soldadas para

aplicações criogênicas

LIGAS Al-Cu



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Tratamento térmico das LIGAS Al-Cu

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

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

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



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LIGAS Al-Cu



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Envelhecimento



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Microestruturas das LIGAS Al-Cu

Al – 4 % Cu

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

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

Al – 4 % Cu

Precipitados de fase θ.

20 µm 10 µm



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LIGAS Al-Mg



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LIGAS Al-Mg

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

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

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

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



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LIGAS Al-Mn



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LIGAS Al-Mn

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

• Possui elevada resistência à corrosão e boas propriedades elétricas

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



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LIGAS Al-Si

Diagrama de fase eutético



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

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

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

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

LIGAS Al-Si



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Microestrutura das LIGAS Al-Si

Al – 12% Si – 0.3% Mg)

Laminado

Al – 10% Si (hipoeutético)

Fundido



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Elementos de liga - SÍNTESEElemento de liga

Percentagem Típica

Vantagem Desvantagem

Cu 3 a 11% - confere alta resistência mecânica

- facilita trabalho de usinagem

- diminui resistênciaà corrosão salina

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

- reduz coeficiente de dilatação

- melhora a soldabilidade

- diminui usinabilidade

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

corrosão em meio salino - possibilita tratamento

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

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

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

mecânica - ligas auto temperantes - aumenta dutilidade

- diminui resistênciaà corrosão salina

- fragilidade a quente - alta contração em

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

- aumenta resistência mecânica a quente

- pequena diminuição da dutilidade



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XXXX - ligas para conformação

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

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

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

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

LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA



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Exemplo 1

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




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Exemplo 2

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




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XXX.X – Ligas Fundidas

X1 elemento majoritário da liga

X2 e X3 Indica a série da liga ou a pureza (para Al-puro)

X4 Indica a forma do produto:

0 – fundido, 1 – lingote ou 2 - reciclado

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




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Exemplo 3

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




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Exemplo 4

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




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Ligas para conformação

1xxx - Al puro ( >99,00%)

2xxx - Al - Cu

3xxx - Al - Mn

4xxx - Al - Si

5xxx - Al - Mg

6xxx - Al - Mg - Si

7xxx - Al - Zn

Ligas Fundidas

1xx.x - Al puro ( >99,00%)

2xx.x - Al - Cu

3xx.x - Al - Si - Cu ou Mg

4xx.x - Al - Si

5xx.x - Al - Mg

7xx.x - Al - Zn

8xx.x - Al - Pb

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



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• “F” COMO FABRICADO, NÃO SOFREU TRATAMENTO NENHUM

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

• “H” LIGAS QUE SOFRERAM TRATAMENTO MECÂNICO PARA ENCRUAMENTO

• “T” LIGAS QUE SOFRERAM TRATAMENTO TÉRMICO

• “W” SOLUBILIZADA E ESTOCADA

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.



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• “H” LIGAS QUE SOFRERAM CONFORMAÇÃO PARA ENCRUAMENTO

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

• 1 – Encruado somente

• 2 – Encruado e parcialmente recristalizado

• 3 – Encruado e estabilizado

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

Tratamento mecânico




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

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

Tratamento mecânico




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

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

trabalhada a frio. Tratada termicamente para solubilização e então

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

esfriado do estado de fabricação.

Tratamento térmico




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Tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente

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

envelhecido artificialmente Tratado por solubilização envelhecido

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

prévio) e trabalhado a frio.

Tratamento térmico




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TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al

• Recozimento para recristalização, alívio de tensões e homogeneização

• Solubilização• Precipitação ou envelhecimento



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Recozimento de alívio de tensões

T = 130-150 oC

Tempo depende da espessura da peça



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

extrudadas• homogeneização: peças fundidas (para

difundir os microconstituintes)


Recozimento para recristalização e homgeneização



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


Solubilização



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

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

adquirido máxima dureza e resistência mec.


Envelhecimento



59A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 (A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 ())

Solubilização5,65%


Envelhecimento



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Solubilização

Precipitação

Resfriamento em água

Chamado de envelhecimento que pode sernatural ou artificial

A ppt se dá a T ambiente

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


Solubilização seguida de envelhecimento



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Ligas envelhecidas artificialmente



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Tratamento de Anodização - Características

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

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

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



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Tratamento de Anodização

Pigmento

Eletrólitoácido sulfúrico



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Vista lateral (fraturada) Vista superior (poros)



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

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

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

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

• Reciclagem é um exemplo vivo de consciência ambiental

Reciclabilidade do alumínio (Alumínio secundário)



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Curiosidades – Latinha de alumínio

• 67 latinhas de alumínio correspondem a 1 kg.

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

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

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



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Reciclagem Alumínio

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