UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA METALOGRAFIA E TRATAMENTOS TRMICOS

ALUMNIO E SUAS LIGAS

Airton Santos Arajo de Souza Cndido de Souza Melo rick Gustavo de Oliveira Campos Hugo Natal Dias Gondim Kssia Gabrielly Nobre Bezerra

NATAL RN 2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA METALOGRAFIA E TRATAMENTOS TRMICOS

ALUMNIO E SUAS LIGAS

Trabalho da 3 avaliao da disciplina Metalografia e Tratamentos Trmicos, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Prof. Roberto Cavalcante de Menezes

NATAL RN Novembro 2010 2

1 Metal AlumnioSeu peso especfico de 2,7 g/cm a 20C; seu ponto de fuso corresponde a 660C e o 2 mdulo de elasticidade de 6336 kgf/mm . Pertence ao sistema cbico de face centrada. Apresenta boa condutibilidade trmica e relativamente alta condutibilidade eltrica (62% do cobre). no-magntico e apresenta baixo coeficiente de emisso trmica. Essas caractersticas, alm da abundncia de seu mineral principal, vem tornando o alumnio o metal mais importante, aps o ferro. Entretanto sua resistncia mecnica baixa; no estado puro (99,99% Al), o seu valor gira em 2 torno de 5 a 6 kgf/mm ; no estado encruado (laminado a frio com reduo de 75%) sobe para cerca 2 de 11,5 kgf/mm . muito dctil: alongamento de 60 a 70%. Apresenta boa resistncia corroso, devido estabilidade do seu principal xido Al 2O3 (alumina) que se forma na superfcie do metal. Essa resistncia corroso melhorada por anodizao, melhorando ainda sua aparncia. As ligas de alumnio no apresentam a mesma resistncia corroso que o alumnio puro, de modo que quando se deseja aliar a maior resistncia mecnica das ligas com a boa resistncia corroso do alumnio quimicamente puro, utiliza-se o processo de revestimento da liga por capas de alumnio puro (cladding), originando-se o material Alclad. De um modo geral, pode-se dizer que o alumnio de pureza equivalente a 99,9% anodizado, apresenta caractersticos ticos anlogos aos da prata.3

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2 Obteno da AluminaO minrio de alumnio predominante a bauxita, a qual constituda essencialmente de um xido hidratado Al2O3.H2O , contendo ainda xido de ferro, slica, xido de titnio e pequenas quantidades de outros compostos. Nos minrios utilizados na produo de alumnio, o teor de Al2O3 varia de 40 a 60%. A metalurgia do alumnio compreende basicamente nas seguintes fases: obteno da alumina, a partir do minrio; eletrlise da alumina.

Figura 01 Representao esquemtica das principais fases de obteno da alumina (Al2O3) a partir da bauxita, pelo processo Bayer. Fonte: BUDGEN, 1947.

Emprega-se, para o preparo da alumina, quase que exclusivamente o processo Bayer, representado na Figura 01. A bauxita inicialmente britada e, em seguida, moda em moinhos de bola, de modo a ter-se partculas entre 80 e 100 mesh. Esse p misturado intimamente, num tanque de mistura, com uma soluo de hidrxido de sdio. A mistura bombeada numa autoclave, ou seja, num recipiente de ao submetido a altas 2 presses (da ordem de 4 kgf/cm ) e a elevada temperatura (da ordem de 250C). Na autoclave ocorre o processo de digesto, do qual resulta um aluminato de sdio solvel, de acordo com a seguinte equao: Al2O3 + 2NaOH 2NaAlO2 + H2O

A slica forma com a soda e a alumina um silicato duplo insolvel (3Al 2O3, 3Na2O, 5SiO2, 5H2O). Os xidos de ferro e de titnio permanecem praticamente insolveis. Completado o processo de digesto, a soluo de aluminato de sdio tratada por sedimentao ou decantao e por filtrao sob presso, de modo a separ-la dos resduos em suspenso, constitudos essencialmente de um hidrxido de ferro impuro contendo a maior parte da

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slica, outras impurezas e uma pequena quantidade de alumina. Esta ltima parcialmente recuperada por lavagem com licor custico e gua quente e devolvida ao processo. Depois da filtrao, a soluo levada a um tanque de resfriamento e aos depsitos de precipitao onde ocorre a seguinte reao: 2Na3AlO3 + 3H2O 3Na2O + Al2O3 + 3H2O

O licor de soda contm uma certa proporo de aluminatos; ele levado a evaporadores para concentrao, de modo a reticular o aluminato atravs do ciclo. A suspenso de alumina hidratada levada a espessadores, filtrada e calcinada, num forno rotativo de forma tubular, a cerca de 1200C, obtendo-se como produto final a alumina Al2O3 , com 99,5 a 100% de xido de alumnio e com certas impurezas tais como xido de ferro, xido de silcio e xido de sdio.

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3 Eletrlise da AluminaA etapa seguinte a reduo da alumina. Devido grande afinidade do alumnio com o oxignio, no possvel reduzir a alumina pelos reatores usuais, carbono e xido de carbono. Recorre-se, ento ao processo eletroltico, em que o banho eletroltico constitudo de criolita, ou seja, um fluoreto de sdio e alumnio (AlF3, 3NaF). Nesta banho de criolita, coloca-se a alumina em soluo, ou seja, o eletrlito atua como fundente e dissolve o xido de alumnio.

Figura 02 Representao esquemtica de um tipo de de clula eletroltica para educao de alumina. Fonte: BUDGEN, 1947.

A Figura 02 esquematiza o processo. O catodo corresponde ao fundo da clula eletroltica e ao alumnio que se forma paulatinamente; o anodo constitudo de eletrodos de carbono. A operao realizada a cerca de 950C. As reaes que ocorrem so resumidas na equao: Al2O3 2Al + 1,5O2

O alumnio deposita-se no fundo e retirado periodicamente. Sua pureza varia de 99,4 a 99,85%, sendo o silcio e o ferro as impurezas principais. Para obter-se alumnio de pureza 99,99%, necessria uma refinao adicional, o que pode ser feito eletroliticamente, numa cuba eletroltica semelhante empregada na reduo da alumina, contendo trs camadas lquidas: a inferior, andica, constituda de uma liga Al-Cu com cerca de 33% de cobre; a intermediria, que constitui o eletrlito propriamente dito, que uma mistura de fluoreto de alumnio (23%), fluoreto de sdio (17%) e cloreto de brio (60%); e a superior que corresponde a alumnio refinado, protegido de oxidao pelo ar por uma crosta de banho. A temperatura do banho da ordem de 750C. As impurezas, pela passagem da corrente eltrica, so retiradas no anodo e no eletrlito. Para fabricar uma tonelada de alumnio so necessrias cerca de duas toneladas de alumina. Para produzir esta quantidade de alumina, estima-se que so necessrias 5 t de bauxita, 3 t de lignito, 0,15 t de soda e 0,250 t de leo combustvel. Para serem transformadas em uma tonelada de alumnio metlico, as duas toneladas de alumina exigem aproximadamente 0,1 t de criolita, 0,4 t de coque de petrleo e 17000 kWh de energia eltrica.

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4 Ligas de AlumnioAs ligas de alumnio podem ser classificadas em dois grandes grupos:

ligas trabalhadas (conformadas mecanicamente) ligas no tratveis termicamente ligas tratveis termicamente ligas fundidas

Estas ultimas so as que tem suas propriedades mecnicas melhoradas geralmente pelo tratamento de endurecimento por precipitao. As no tratveis termicamente tm as suas propriedades alteradas apenas por trabalho a frio ou encruamento. 4.1 Tratamento Trmico das Ligas de Alumnio O principal tratamento trmico consiste em solubilizao seguida de endurecimento por precipitao, ou seja, promover-se a soluo de fases duras e posteriormente precipit-las. Toma-se como exemplo uma liga Al-Cu, cujo diagrama de equilbrio este representado na Figura 03. Por exemplo, se uma liga de alumnio contendo 5,5% de Cu aquecida a 540C, todo o cobre ser dissolvido no alumnio, pois o campo do diagrama de equilbrio corresponde aos de soluo slida total. Resfriando-se rapidamente a liga em gua, ela fica supersaturada, pois no se d tempo para a precipitao do cobre: na realidade, fica retida em soluo slida supersaturada uma quantidade de cobre, correspondente diferena entre o troe da liga considerada e aquele que pode

Figura 03 Diagrama de equilbrio parcial da liga de alumnio-cobre Fonte: HAWKINS, D. T.; HULTGREN, R. 1973. realmente ser retido em soluo slida temperatura ambiente (cerca de 0,10%). A seguir, promove-se o envelhecimento pode ser natural, ou seja, temperatura ambiente, num perodo de tempo de cerca de dois dias. Na prtica, entretanto, vrias ligas so envelhecidas artificialmente, ou seja, a precipitao das partculas do composto intermetlico CuAl 2 promovida

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em tempo mais curto pelo reaquecimento da liga resfriada rapidamente, a temperaturas moderadas acima da ambiente. Um caracterstico importante do comportamento dessas ligas durante o tratamento trmico descrito consiste no fato de que, logo aps o tratamento de solubilizao e resfriamento rpido em gua, as ligas se apresentam to dcteis como no estado recozido, podendo ser ento facilmente conformadas. Esse trabalho de conformao deve ser, contudo, levado a efeito logo aps o resfriamento em gua, tendo em vista a tendncia que as ligas possuem de envelhecerem ou endurecerem por precipitao temperatura ambiente. As temperaturas de solubilizao devem ser escolhidas de conformidade com o teor de cobre, para que no se corra o risco de superaquecer o material e aproximar-se da temperatura de incio de fuso. A precipitao faz-se a temperaturas baixas entre 115 e 190C geralmente e tempos longos, variveis entre 5 e 48 horas, de acordo com o tipo de liga. O tratamento de endurecimento por precipitao permite obter valores de resistncia 2 2 elevados, superiores a 40 kgf/mm para limite de resistncia trao e a 20 kgf/mm para limite de escoamento. Outro tratamento usual nas ligas de alumnio o recozimento, aplicado quando se deseja diminuir a dureza ou aliviar as tenses. Neste ltimo caso, o aquecimento feito at cerca de 340 a 350C, com resultados satisfatrios. No caso do recozimento para amolecer o material, a temperatura de tratamento mais elevada entre 400 e 440C e o tempo de cerca de duas horas, seguindo-se resfriamento lento, pelo menos at atingir-se a temperatura de 260C. 4.2 Ligas de Alumnio Trabalhadas A Tabela 01 apresenta a composio qumica das ligas encruveis, segundo a designao da ABNT, incluindo o alumnio puro (99,45%), n 15040 ABNT. A liga 10050 ou alumnio comercialmente puro, contendo no mnimo 99,0% de Al, apresenta fcil conformao e alta ductilidade, boa condutibilidade eltrica, boa resistncia corroso e boa solubilidade. Suas propriedades no estado recozido so as seguintes:

visvel a baixa resistncia mecnica. J encruada, no estado duro (cujo smbolo H18 adotado pela Aluminium Association), os valores acima passam para:

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Alis, o comportamento da resistncia mecnica e da ductilidade desses dois materiais, em funo da quantidade de encruamento, pode ser melhor acompanhado no grfico da Figura 04.

Tabela 01 Fonte: BRESCIANI FILHO, E.; RENN GOMES,1985.

Figura 04 Influncia do encruamento sobre o alumnio e suas ligas Fonte: CHIAVERINI, V. 1986 Aplicaes tpicas do alumnio comercialmente puro: recipientes para armazenamento de alimentos, folhas, cabos eltricos (armados com ao), utenslios domsticos e culinrios, telhas, em equipamentos qumicos e para processamento de alimentos, em refletores etc.. A introduo de elementos de liga como Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Zn e eventualmente Ti, aumentam os valores das propriedades mecnicas. Por exemplo, a liga ABNT 52820 apresenta os seguintes valores:

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Ligas desse tipo apresentam as mais favorveis combinaes de resistncia mecnica, resistncia corroso e ductilidade, aplicando-as onde se exigem tais caractersticos. 4.3 Ligas de Alumnio Tratadas Termicamente As ligas mais importantes trabalhadas e endurecveis por precipitao esto indicadas na Tabela 02 e a Tabela 03 apresenta as suas propriedades em vrias condies. Essas tabelas mostram claramente os efeitos dos elementos de liga no alumnio e dos tratamentos trmicos nas ligas resultantes.

Tabela 02 Fonte: BRESCIANI FILHO, E.; RENN GOMES,1985. A liga 2017, conhecida tambm com o nome de duralumnio a mais antiga e a mais usada; contm, em mdia, 4,0% de cobre, 0,5% de magnsio e 0,7% de mangans. Como se v, no estado tratado termicamente, a liga chega a adquirir um limite de resistncia trao semelhante ao ao doce, com um tero do seu peso especfico, donde a importncia do seu emprego, principalmente na indstria aeronutica e de transporte em geral. Na indstria aeronutica, na realidade, ela tem sido deslocada pela liga 2024, que possui maior resistncia mecnica, embora menor capacidade de conformao. Tais ligas apresentam, entretanto, um inconveniente: a tendncia corroso intergranular, sobretudo em gua salgada ou atmosfera salina. Por essa razo, so frequentemente utilizadas na forma de Alclad; as chapas de alumnio puro aplicadas em ambas as faces podem compreender aproximadamente 10% da seco transversal. A indstria aeronutica emprega ainda as ligas 6061 e 7075. A liga designada por 6053, embora sendo de menor resistncia mecnica, possui, dentre todas, a maior resistncia corroso, comparvel do alumnio comercialmente puro, de modo que se aplica nos casos em que a resistncia corroso mais importante que a resistncia mecnica.

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4.4 Ligas Fundidas Na fundio de peas de alumnio, pode-se utilizar os mtodos de fundio em areia, fundio sob presso e de preciso.

Tabela 03 Fonte: CHIAVERINI, V. 1986 As ligas de alumnio para fundio so classificadas em dois grandes grupos: ligas binrias, com um nico elemento de liga adicionado; ligas complexas, com dois ou mais elementos de liga adicionados.

Entre as primeiras, situam-se as ligas alumnio-cobre, alumnio-silcio e alumnio-magnsio. As do segundo grupo contm cobre e silcio, ou cobre, silcio e magnsio ou silcio e magnsio ou cobre-nquel e magnsio, alm do alumnio como metal-base. A Tabela 04 indica alguns dos tipos de alumnio para fundio. As propriedades mecnicas dessas ligas, segundo o processo de fundio empregado e o tratamento trmico aplicado, variam dentro das seguintes faixas:

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Tabela 04 Fonte: CHIAVERINI, V. 1986 As ligas alumnio-cobre so as mais empregadas. Possuem boa resistncia mecnica e excelente usinabilidade; suas resistncias corroso e oxidao so, contudo, baixas. As ligas alumnio-silcio possuem elevada resistncia corroso, porm so muito frgeis devido estrutura grosseira em funo da presena do silcio. Um tratamento chamado modificao melhora os caractersticos estruturais, conferindo ainda melhor resistncia e boa ductilidade. Esse tratamento baseia-se no tratamento do metal lquido por sdio na forma metlica ou na de sais, como fluoreto ou cloreto de sdio. A introduo do sdio ocasiona uma fina disperso do silcio, que altera, para melhor, os caractersticos estruturais da liga. A quantidade se sdio varia de 0,04% para ligas com 5% de silcio at 0,10% para 14% de silcio. As ligas alumnio-silcio com adies de cobre ou magnsio podem ser submetidas a tratamentos trmicos. As ligas de alumnio-magnsio so as que apresentam a melhor combinao de caractersticos mecnicos, resistncia corroso, usinabilidade, alm de serem facilmente anodizadas. A maioria dessas ligas no tratvel termicamente. As ligas alumnio-estanho so empregadas principalmente para a confeco de mancais e buchas, devido a seu alto limite de fadiga e boa resistncia corroso pela adio de leos lubrificantes dos motores de combusto interna. Na fabricao de mancais para veculos automotores, utilizam-se lingotes da liga Al-Sn (20%), os quais so laminados a frio. Procede-se, a seguir, a um recozimento a 350C ou 500C. Em seguida, a lmina da liga unida a uma lamina de ao, formando-se o casquilho de mancal. Para melhorar a aderncia, emprega-se uma delgada capa de alumnio puro como material intermedirio. As lminas de ao e alumnio so laminadas em conjunto a frio, obtendo-se contato fsico estreito. A seguir, lamina-se a 400C, ficando estabelecida a unio metalrgica permanente. Uma nova laminao a frio incorpora a liga Al-Sn e obtm-se, assim, a pea completa do mancal. O encruamento verificado nesta ltima operao eliminado por um recozimento a 350C durante uma hora. 4.4.1 Ligas de Alumnio para Veculos Muitas peas de veculos automotores so fundidas em ligas de alumnio. Na confeco de pistes, empregam-se ligas contendo de 17 a 24% de silcio, 1 a 1,75% de cobre e, eventualmente, mangans, magnsio. Nquel, zinco, cromo e titnio.

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Para outras partes de motores e peas diversas, as ligas podem conter silcio entre 5,0 e 12,5%, cobre de 0,10 a 5,0%, mangans de 0,5 a 0,6%, magnsio de 0,1 a 0,5%, de nquel de 0,2 a 0,5%, zinco de 0,1 a 3,0%, ferro de 0,4 a 2,0% e, eventualmente, estanho, chumbo e titnio. 4.4.2 Ligas de Alumnio Super-resistentes Essas ligas apresentam a composio da Tabela 05. Como se v, so ligas relativamente 2 complexas, cujos nveis de resistncia ultrapassam 35 Kgf/mm (limite de resistncia trao).

Tabela 05 Fonte: CHIAVERINI, V. 1986 So ligas tratveis termicamente, cujo desenvolvimento foi inicialmente feito para preencher exigncias de a indstria aeronutica, mas cuja aplicao pode ser estendida a outros tipos de veculos, inclusive militares, onde se procura menor peso e maiores nveis de resistncia mecnica.

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5 Aplicaes do Alumnio e suas LigasOs caractersticos do alumnio e suas ligas tornam esse metal de grande utilidade quando se quer combinar boa resistncia mecnica e razovel ductilidade, com baixo peso especfico e boa resistncia corroso. Assim sendo, praticamente todos os setores industriais podem ser beneficiados pelo emprego desses materiais, como se indica a seguir: indstria aeronutica na fabricao de fuselagens, motores, hlices, tanques para combustveis lquidos e muitos outros acessrios, como pistes, cabeotes dos cilindros, bombas de leo, linhas de leo, polias caixas de instrumentos etc.; indstria automobilstica tambores de freio, corpo de compressores, pistes, capas de distribuidor, linhas de combustvel, bombas de combustvel, buzinas, guarnies internas e externas, corpos de vlvulas de transmisso, corpos e tampas de bombas de gua e inmeros outros componentes; indstria ferroviria vages de carga e passageiros, mobilirio e outros acessrios; indstria naval cascos de barcos, estruturas de convs, janelas, vigias, escadas, equipamento de ventilao botes salva-vidas, mobilirios, peas para fins decorativos e outros acessrios; industria eltrica alm de seu emprego em cabos condutores armados de ao, outros empregos so feitos em partes estruturais, enrolamento de motores, em transformadores a seco, inclusive para certos tipos de enrolamentos etc.; na indstria eletrnica, em guias de ondas de radar e sonar, antenas de radar e televiso, parafusos, porcas, eletrodos de capacitores e outros componentes; indstria de aparelhos eletro-domsticos componentes de aspiradores, de ferros eltricos, de mquinas de lavar pratos, de batedeiras etc.; indstria de construo civil estruturas de edifcios, pontes, esquadrias etc.; indstria qumica e petroqumica para processamento de petrleo, borracha etc.; aplicaes variadas mveis, equipamento de manuseios de material, de armazenamento e empacotamento de alimentos, em maquinrio para minerao de carvo, equipamento txtil, tubos de irrigao, utenslios de cozinha, instrumentos diversos como relgios, refletores, ferramentas portteis, artigos decorativos no estado anodizado natural ou colorido, na forma de ps e pastas etc..

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6 Referncias BibliogrficasBUDGEN, N. F. Alluminium and its Alloys. Sir Isaac Pitman & Sons, 1947. BRESCIANI FILHO, E.; RENN GOMES, M. Propriedades e Usos de Metais No-Ferrosos. ABM, 1985. CHIAVERINI, V. Aos e Ferros Fundidos. 5 ed. ABM, 1984. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecnica Materiais de Construo Mecnica. Vol. III. 2 ed. So Paulo: McGraw Hill, 1986. HAWKINS, D. T.; HULTGREN, R. Constitution of Binary Alloys. Metals Handbook. Vol. VIII. 8 ed. ASM, 1973.

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