ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

O que é o Alumínio É um metal branco acinzentado leve não tóxico (no estado não particulado) 3° elemento em abundância na litosfera encontrado na natureza apenas na forma combinada muito reativo

Características Físico-Químicas Símbolo Químico: Al Número Atômico: 5 Peso Atômico: 26,98153 Grupo da Tabela: 13 Configuração Eletrônica: [Ne].3s2.3p1 Classificação: Metal Estado Físico (T=298K): Sólido Densidade: 2,702 g/cm3 Ponto de Fusão: 933,7 K Ponto de Ebulição: 2792,0 K Condutividade Térmica: 235,0 W/m.K Resistividade Elétrica: 2,65 .10-8.Ohm.m número de oxidação: +3 (excepcionalmente +1) Anfótero (reage c/ ácidos e bases) Al + ácido --> Al+3 + H2 Al + base --> Al(OH)4 + H2

Características Físico-Químicas Energias de Ionização 1ª 577,5 kJ/mol 2ª 1816,5 kJ/mol 3ª 2744,8 kJ/mol 4a 11577,0 kJ/mol 5ª 14842,0 kJ/mol 6ª 18379,0 kJ/mol 7ª 23326,0 kJ/mol Calor Específico: 0,9 J/g.K Eletronegatividade (Pauling): 1,61 Raio Neutro (pm): Raio Atômico Empírico: 125,0 Raio Atômico Calculado: 118,0 Raio Covalente: 118,0 Raio van der Waals: não tem Raio Iônico Íon Al (I): 50,0 pm

Características Físico-Químicas Potencial Padrão de Redução (E°, eV): +1 0 Solução ácida Al3+ -1,676 Al Solução básica Al(OH)3 - 2,300 Al Al(OH)4- - 2,310 Al

Características Físico-Químicas Riscos: Não apresenta risco industrial Toxidade: Na forma de pó ou grânulos é tóxico por inalação ou ingestão. O alumínio apresenta uma propriedade acumulativa no corpo humano, que após algum tempo torna-se nocivo, ocasionando sérias conseqüências no sistema biológico dos seres vivos. O metal está associado à doença de Alzheimer (doença mental).

Características Físico-Químicas Isótopos: Al23 não encontrado na natureza meia vida = 0,13 s Al24 não encontrado na natureza meia vida = 2,1 s Al25 não encontrado na natureza meia vida = 7,2 s Al26 não encontrado na natureza meia vida = 7,4.105 anos Al27 100% na natureza estável Al28 não encontrado na natureza meia vida = 2,3 horas Al29 não encontrado na natureza meia vida = 6,6 min Al30 não encontrado na natureza meia vida = 3,3 s

Estrutura Cristalina: CFC

Origem do nome do latin "alumen" meaning "alum" Traduções: Alemão: aluminium Inglês: aluminium Espanhol: aluminio Francês: aluminium Italiano: alluminio

Histórico Gregos e Romanos: medicina - alumina (Al2O3) encontrada em minérios; 1787 - Lavoisier : suspeitou que esta substância era um óxido de um metal desconhecido; 1807 - Davy: propõe nome “Alumium”, posteriormente trocado para “Aluminium” (alumínio); 1821 - Berthier (Les Baux, sul da França): bauxita identificada pela primeira vez 1825 - Oersted: isolado Al reagindo cloreto de alumínio (AlCl3) com amálgama de potássio;

Histórico 1854 - Sainte-Claire Deville: obtenção industrial do alumínio por via química; 1925 - Heroult (Normandia - França) e Hall (Ohio- Estados Unidos): processo eletrolítico

Principais Minerais bauxita Al2O3.nH2O: 48% a 64% de alumina, de aparência física é muito variável (branca, cinza ou creme para baixa porcentagem de ferro; amarelo, marrom-claro, rosado ou vermelho- escuro para altas percentagens de ferro). criolita Na3AlF6 :só encontrado em jazida na Groelândia, daí sua pouca importância no cenário mundial.

Outros Minerais óxidos, fluoretos e silicatos de constituição complexa. O óxido de alumínio (coridon) apresenta-se de duas formas: córidon límpido colorido (rubís e safiras) e córidon impuro (esmeril) contendo ferro como principal impureza.

Obtenção do Alumínio Fase química: extração do óxido (Al2O3) que contém o metal; Fase eletrolítica: eletrólise da alumina dissolvida em um sal fundido.

Fase química Método Bayer moagem fina do minério; calcinação a 900°C; autoclavar minério calcinado com soda cáustica a 180°C e 12-15 atm; “germinação” (decomposição em presença de hidróxido de alumínio) do aluminato de sódio obtido nas autoclaves, [ NaAl(OH)4 ------> Al(OH)2 + NaOH ]; calcinação do hidróxido de alumínio separado a 1200°C obtendo a alumina c/ 99,5% de pureza [ 2Al(OH)2 ---> Al2O3 + 3H2O ] 2 kg de bauxita+ 2 kg de combustível e 2 kWh de eletricidade gastos por kg de Al2O3 obtido

Fase eletrolítica dissolução da alumina a 5% em criolita fundida a 930°C; eletrólise em cuba eletrolítica durante 24-18 horas a 100.000 A e 5-6 V; limpeza de escórias e adição de ligantes em forno contínuo;

Cuba eletrolítica recipiente de ferro revestido por carvão nas laterais e parte inferior, funcionando como cátodo o ânodo é formado por eletrodo tipo Söderberg: camisa metálica na qual vai sendo despejada continuamente do alto uma pasta de carvão e piche durante a eletrólise decomposição se processa de forma contínua adicionando-se alumina periodicamente ao banho, mantendo-a em uma concentração superior a 2,5% para evitar decomposição da criolita liberando gases ricos em flúor, interrompendo o processo (fenômeno anódico) gases provenientes das cubas (CO, CO2, flúor e outros) são passados por uma coluna de absorção contendo solução aquosa de carbonato de sódio para retirar o flúor, altamente tóxico.

Cuba eletrolítica

Cuba eletrolítica Em geral são gastos 2 kg de alumina e de 16 a 18 kWh de energia para cada kg de alumínio 99,5% puro obtido; Para fins especiais pode-se obter graus de pureza da ordem de 99,99% e até 99,999% mediante refinação eletrolítica a alta temperatura (750°C) em processo denominado de “três camadas” em células com eletrólito de mistura fundida de flouretos e cloretos, ânodo de alumínio bruto e cátodo de alumínio refinado, a um custo de 20 kWh de eletricidade por kg de alumínio refinado.

Principais Ligas de Alumínio a) Ligas tratáveis térmica ou mecanicamente: ligas tratáveis termicamente: Al-Cu Al-Zn-Mg Al-Si-Mg; ligas endurecidas por trabalho a frio (encruáveis): Al-Mg Al-Si b) Ligas para fundição Al-Si-Cu/Mg Al-Sn

Influência dos elementos de liga

Características das Ligas de Alumínio

Resistência à Corrosão Extremo anódico (corroído) Mg Ligas de Mg Zn Ligas Al 7072, Alclad 7071, Alclad 7073, Alclad 3003 Ligas Al 6XXX Ligas Al 1XXX, Al 3XXX, Al 5XXX, Alclad 2XXX Cd Liga Al 7075 Ligas Al 2XXX Aço macio, ferro fundido Soldas Pb-Sn Pb Sn Latões Cu Bronzes Monel, inconel Ni Extremo catódico (protegido) Aço inox (ativo) Ti

Resistência à Corrosão Inibidores: quando alumínio ou suas ligas são usados em equipamentos químicos onde circulam líquidos de certa agressividade, a corrosão pode ser bastante atenuada pela adição de agentes inibidores (geralmente entre 50 a 2000 ppm). Os agentes mais agressivos em relação ao alumínio ou suas ligas estão relacionados ao lado:

Tratamentos Térmicos Envelhecimento: precipitação expontânea (ou induzida) de fase composta pelo agente de endurecimento, enrijecendo a liga por obstrução de discordâncias que facilitam a deformação plástica, sem alterar o alongamento. aquecimento do material entre a linha solvus e a linha liquidus para realizar a solubilização esfriamento em água gelada para temperar produzindo solução sólida supersaturada instável à temperatura ambiente precipitação ocorre após a têmpera com o passar do tempo naturalmente (envelhecimento natural) ou acelerada por aquecimento moderado para certas ligas (revenido ou envelhecimento artificial).

Tratamentos Térmicos Estabilização: tratamento usual para ligas encruáveis aquecimento a cerca de 150°C por algumas horas para obtenção de material estável e dúctil, pois certas ligas apresentam ligeira variação dimensional e amolecimento com o passar do tempo. Recozimento: é o tratamento que confere ao material a maleabilidade máxima, aplicável a ambas as classes de material tratável consiste no aquecimento a uma temperatura a qual os grãos quebrados pelo encruamento são recristalizados, resultando em uma condição de liga esfriada lentamente, pois ocorre precipitação gradual de constituintes. Modificação: aplicado apenas para ligas Al-Si de fundição consiste no tratamento do metal líquido com sódio, produzindo fina dispersão das partículas de Si, aumentando drasticamente a ductilidade e a resistência mecânica.

Tratamentos Térmicos Seqüências Usuais

Processamento Industrial Laminação a quente ou a frio (chapas e folhas) Trefilação (fios) Extrusão a quente ou a frio (perfis, barras, tubos sem costura) Forjamento a quente ou a frio Metalurgia do pó (peças delicadas de pequenas dimensões) Estampagem (estruturas de carrocerias) Embutimento (utensílios domésticos) Fudição em coquilha Fundição sob pressão Como metal de adição em solda por brasagem

Outras Aplicações Industriais Para o alumínio elementar condutores aéreos de eletricidade, devido a sua melhor relação condutibilidade/peso que o Cu; na redução de óxidos de metais (Mg, Cr) devido a sua afinidade com o oxigênio quando finamente divido, reduzindo-os ao seu estado elementar (Reação de Goldschmidt – Aluminotermia); misturado a óxido de Fe e areia silicosa (termite), com ignição por combustão de fita de magnésio, em operações de soldagem; nas estruturas internas de reatores nucleares por absorver pouco os neutrons; nos espelhos refletores de telescópios;

Outras Aplicações Industriais Para a alumina como desidratante e catalisador de muitas reações; material de preenchimento em colunas cromatográficas; abrasivo na industria mecânica e óptica; lentes transparentes à radiação UV e IR; produção de gemas industriais sintéticas (rubís e safiras) p/ relojoaria fabricação de tijolos refratário (95% de alumina); Para os sais de alumínio: Al2(SO4)3 misturado com sulfato de K hidratado (alúmen), usado como mordente em tinturaria (fixador de corantes em fibras têxteis).

Acabamento e Proteção Superficial A resistência à corrosão do alumínio e suas ligas depende da manutenção de uma fina camada (filme) de óxido convém provocar o surgimento desta camada de forma artificial para produção de filmes mais espessos dentro de condições controladas em lugar de depender do seu surgimento natural. Processo começa com uma limpeza da superfície por meios mecânicos para o emparelhamento da superfície (esmerilhamento, oleamento, lustramento e colorimento) e para a retirada de graxas, óleo sujeira, escamas de tratamentos térmicos e agentes químicos (desengraxamento, limpeza alcalina com agente inibidor, limpeza ácida e limpeza eletrolítica);

Acabamento e Proteção Superficial Segue-se a formação da camada de óxido por processo de anodização, onde a peça é colocada como ânodo em eletrólito de baixo pH promovendo o reforço da camada de óxido, completando-se com a selagem (fechamento dos poros da camada de óxido) feita em água fervente ou soluções de sais entre 90-100°C por 15 a 60 minutos

Indústria no Brasil 3º em reservas mundiais (17%) depois de Austrália e África Equatorial (PA, MG e RJ) 6º em Produção

Mercado Interno (2.490.600 t alumina 704.100 t manufaturados)

Mercado Interno

Mercado Externo Exportações (1999) Alumínio e ligas 788.600 t Sucatas 13.400 t Manufaturados 107.600 t Total 909.600 t

Reciclagem no Brasil

Referências Bibliográficas GOMES, Mário Rennó; Emprego do Alumínio e suas Ligas, ABM, SP 1976 MAGAROLA, Carlos S.; BELTRÁN, José; Manual del Aluminio, Ed Reverté SA, 11ª ed. Barcelona BRICK, Robert M., GORDON, Robert B., PHILLIPS, Arthur; Structure and Properties of Alloys, Ed McGraw-Hill Book Company, 3ª ed., pg 147-189, USA, 1965 Enciclopédia Ciência Ilustrada, Ed. Abril Cultural, SP, 1972 www.merck.com.br/quimica/tpie/index.htm Tabela Periódica Interativa da Merck www.aia.aluminium.pc.ca/english/index.htm Aluminium Associated of Canada www.abal.org.br Associação Brasileira do Alumínio