Alumínio e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial

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1 Alumínio e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial
Instituto Federal de Santa Catarina Campus de Florianópolis Departamento Acadêmico de Metal-Mecânica Curso Técnico de Mecânica Industrial – ProIn II Alumínio e suas ligas ProIn II – Mecânica Industrial Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng

2 PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS NÃO-FERROSOS
1. Resistência à corrosão 2. Facilidade de fabricação 3. Alta condutividade elétrica e térmica 4. Baixo peso 5. Cor

3 LIGAS NÃO FERROSAS Ligas leves Ligas resistentes à corrosão
Ligas Be Ligas Mg Ligas leves Ligas Ti Ligas Al Ligas resistentes à corrosão Ligas Cu Ligas Cr Ligas Ni Ligas Pb Ligas Sn Ligas baixo ponto de fusão Ligas Zn Ligas Ta Ligas W Ligas Refratárias Ligas Re Ligas Nb Ligas Mo

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5 ALUMÍNIO E LIGAS

6 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.

7 CARACTERÍSTICAS GERAIS
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.

8 RESERVAS E PRODUÇÃO

9 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO FASE QUÍMICA – extração do óxido (Al2O3) do minério (bauxita). FASE ELETROLÍTICA – eletrólise da alumina dissolvida em um sal fundido.

10 Fase química – Da bauxita à alumina
Óxido de titânio Óxido de silício Óxido de ferro Alumina (óxido de alumínio) Bauxita + soda cáustica Sedimentação Precipitação Calcinação Aluminato de Na Alumina hidratada Alumina (Al2O3)

11 Obtenção do Alumínio Metálico
Fase Eletrolítica 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.

12 VIDEO HDTDI (113) 6:23 Telecurso (22:10)
Obtenção do Alumínio Metálico VIDEO HDTDI (113) 6:23 Telecurso (22:10)

13 Obtenção do Alumínio Metálico
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

14 Obtenção do Alumínio Metálico
Para cada 4,4 ton de Bauxita 2 ton de Alumina 1 ton de Alumínio

15 RESUMO DAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES
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

16 Folhas Chapas e laminados Fios e cabos Perfis Extrudados Aluminas Especias Fundidos e Forjados Pastas e Pó

17 COMPARATIVO COM O AÇO Propriedades Físicas Alumínio 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

18 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.

19 FASES E ESTRUTURA ATÔMICA Al puro

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

21 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

22 Deformação Plástica (encruamento) Precipitação (ligas de alumínio)
ENDURECIMENTO Deformação Plástica (encruamento) Precipitação (ligas de alumínio)

23 PRINCIPAIS ELEMENTOS DE LIGA Cu, Mg, Mn, Si, Zn, entre outros
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

24 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Por exemplo... Liga Al-Mg

25 Ligas para conformação
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS 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.

26 Ligas para conformação
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Ligas para conformação Ligas para fundição 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 Endurecíveis por tratamento térmico Não endurecíveis por trat. térmico Al-Cu Al-Cu-Si Al-Mg-Si Al-Zn-Cu Al-Li Al-Mg Al-Mn Al-Si

27 LIGAS Al-Cu

28 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

29 Produtos aeronáuticos, peças forjadas
LIGAS Al-Cu 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 ºC Peças soldadas para aplicações criogênicas

30 Tratamento térmico das LIGAS Al-Cu
Para uma liga Al-4%Cu ter maior endurecimento por precipitação é necessário fazer: Solubilizar o Cobre (fase ) – aquecer em torno de 515 ºC; Resfriar rapidamente até temperatura ambiente (“temperar”) Reaquecer entre 130 e 190 ºC (“envelhecimento”) Resfriar ao ar

31 LIGAS Al-Cu

32 Envelhecimento

33 Microestruturas das LIGAS Al-Cu
Precipitados de fase θ. 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).

34 LIGAS Al-Mg

35 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..

36 LIGAS Al-Mn

37 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

38 Diagrama de fase eutético
LIGAS Al-Si Diagrama de fase eutético

39 LIGAS Al-Si 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

40 Microestrutura das LIGAS Al-Si Al – 10% Si (hipoeutético)
Fundido Al – 12% Si – 0.3% Mg) Laminado

41 Elementos de liga - SÍNTESE

42 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   XXXX - ligas para conformação X1 elemento majoritário da liga X2 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%

43 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   Exemplo 1 Liga 1035 1 – alumínio comercialmente puro 0 – sem controle de impurezas 35 – 99,35% de alumínio

44 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   Exemplo 2 Liga 5470 5 – Liga Al-Mg 4 – com controle especial de impurezas 70 – é a liga número 70 da série

45 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   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

46 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   Exemplo 3 Liga 319.0 3 – Al + Si/Cu ou Mg 19 – Liga número 19 da série 0 – Peça fundida

47 LIGAS DE ALUMÍNIO - NOMENCLATURA
n   Exemplo 4 Liga 580.1 3 – Al + Mg 70 – Liga número 70 da série 1 – Lingote

48 Ligas para conformação 1xxx - Al puro ( >99,00%) Ligas Fundidas
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS 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

49 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.
“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

50 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.
Tratamento mecânico “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

51 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.
Tratamento mecânico 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) “H duro (somente encruamento) “H19” extra-duro (somente encruamento) “H22, H24” encruado e depois recozido parcialmente “H32, H34” encruado e então estabilizado

52 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.
Tratamento térmico T1 Esfriada de uma temperatura elevada de um processo de conformação mecânica e envelhecida naturalmente. T2 Recozida (ligas de fundição) T3Tratada termicamente para solubilização e então trabalhada a frio. T4 Tratada termicamente para solubilização e então envelhecida a temperatura ambiente. T5 Envelhecida artificialmente (sem TT). Apenas esfriado do estado de fabricação.

53 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS – Ligas para conf.
Tratamento térmico T6Tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente T7 Tratado por solubilização e então estabilizado. T8 Tratado por solubilização, trabalhado a frio e envelhecido artificialmente T9 Tratado por solubilização envelhecido artificialmente e encruado por trabalhado a frio. T10Envelhecido artificialmente (sem tratamento prévio) e trabalhado a frio.

54 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al
Recozimento para recristalização, alívio de tensões e homogeneização Solubilização Precipitação ou envelhecimento

55 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al Recozimento de alívio de tensões
T = oC Tempo depende da espessura da peça

56 recristalização: para ligas laminadas, extrudadas
TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al Recozimento para recristalização e homgeneização T= oC recristalização: para ligas laminadas, extrudadas homogeneização: peças fundidas (para difundir os microconstituintes)

57 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al
Solubilização Dissolve as fases microscópicas. Temperatura= depende da liga

58 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al
Envelhecimento 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.

59 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al
Envelhecimento Solubilização 5,65% A fase endurecedora das ligas Al-Cu é CuAl2 ()

60 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS LIGAS DE Al
Solubilização seguida de envelhecimento Solubilização Precipitação Resfriamento em água Chamado de envelhecimento que pode ser natural ou artificial A ppt se dá acima da T ambiente por reaqueci-mento A ppt se dá a T ambiente

61 Ligas envelhecidas artificialmente

62 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.

63 Tratamento de Anodização
Eletrólito ácido sulfúrico Pigmento

64 Tratamento de Anodização
Vista lateral (fraturada) Vista superior (poros)

65 Tratamento de Anodização

66 Reciclabilidade do alumínio (Alumínio secundário)
100% reciclável Mantém características físico-químicas infinitamente Usa apenas 5% da energia utilizada para obter alumínio primário (15 kWh/kg 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

67 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.

68 Reciclagem Alumínio