O rápido crescimento da indústria do alumínio é atribuído à combinação das propriedades que fazem deste o metal mais versátil da engenharia moderna, como material de construção mecânica. De acordo com a ABAL (2007), o alumínio possui a relação resistência/peso equivalente aos aços estruturais. Possui boa condutibilidade elétrica e térmica e alta refletividade a luz e ao calor, alta resistência à corrosão sob as mais severas condições de trabalho e é não tóxico. O alumínio pode ser fundido e trabalhado em quase todas as formas. Além de seu baixo peso, há outras vantagens das ligas de alumínio, as quais incluem o ponto de fusão relativamente baixo (660ºC), boa fundibilidade, boa usinabilidade e bom acabamento superficial (QUEUDET et al., 2017). Todas estas propriedades apresentadas justificam por que as ligas de alumínio vêm sendo de primordial importância para engenharia de materiais desde o século passado.
O alumínio em estado puro apresenta baixa dureza, em torno de 20 HB, e baixa resistência à tração, entre 60 MPa a 140 MPa, em relação a suas ligas binárias e ternárias, tais como as Al-Cu e Al-Zn-Mg, que podem alcançar uma resistência à tração em torno de 700 MPa (FENG et al., 2015). De acordo com Robinson et al., (2012), as ligas apresentam características diferentes daquelas apresentadas pelos seus metais constituintes, tais como dureza, ductilidade, condutividade, entre outras. Além disso, as suas propriedades dependem fundamentalmente da composição, da microestrutura, do tratamento térmico ou mecânico.
Ligas de Al-Zn-Mg por apresentarem baixa densidade, resultam em um menor peso do produto final somado a um satisfatório desempenho mecânico. Essas ligas possuem altos teores de elemento de liga, sendo o zinco, magnésio, cobre e zircônio os principais constituintes. As ligas Al-Zn-Mg da série AA7000 são bem conhecidas na versão conformada, consideradas pela comunidade científica e industrial como as mais resistentes entre as ligas de alumínio. Já as ligas desta série na versão fundida ainda são novas na indústria e apresentam uma escassez na produção de literaturas
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científicas e técnicas especializadas.
Na Tabela 3.1 é mostrado um comparativo entre as principais ligas conformadas da série AA7000, em percentual de massa, na qual se pode notar uma similaridade das ligas AA7017 e AA7055 para com as ligas para fundição preparadas neste trabalho.
Tabela 3.1. Comparativo da composição química entre ligas da série AA7000 (% em massa).
Fonte: Adaptado de DURSUN; SOUTIS, 2014.
As ligas da série AA7XXX são tratáveis termicamente por apresentarem o fenômeno de endurecimento por precipitação de fases secundárias, e a versão Al-Zn- Mg-Cu apresenta a maior resistência mecânica obtida entre todas as ligas de alumínio. Algumas ligas desta série, como a AA7150 e a AA7475, apresentam a combinação da resistência mecânica com a tenacidade maximizada por intermédio de controle do nível de impureza (WEN; FAN; WANG, 2016).
Contendo combinações de 4% a 8% de Zn e de 1% a 3% de Mg na matriz de alumínio, as ligas Al-Zn-Mg apresentam ótimos resultados em suas propriedades mecânicas. Algumas ligas, a partir destas variações, podem superar a resistência de alguns aços estruturais e desenvolverem uma resistência mais elevada do que qualquer outra liga a base de alumínio comercial. A liga de mais alta resistência em produção comercial é a AA7001 (conformada) contendo 7,4%Zn, 3,0%Mg e 2,1%Cu, atingindo uma dureza Brinell de até 160 HB e limite de resistência mecânica de até 675 MPa. As ligas AA 7004 (4,2%Zn e 1,5%Mg), AA 7005 (4,5%Zn e 1,4%Mg) e AA
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7021 (5,5%Zn e 1,5%Mg) são as únicas desta série com apenas Al-Zn-Mg, sem cobre, utilizadas em perfis extrudados, com resistência mecânica entre 290 e 380 MPa (ASM Casting, v. 15, 2008).
A maior faixa de aplicação das ligas Al-Zn-Mg concentra-se na indústria automobilística e aeronáutica, onde conceitos sobre os mecanismos críticos ao surgimento de fraturas têm provido o ímpeto para o desenvolvimento de ligas com elevada tenacidade. Estas indústrias estão sempre à procura de ligas leves ou ligas cujas propriedades são favoráveis como altos valores de resistência mecânica em contrapartida com o baixo peso, boa ductilidade, dureza, resistência à corrosão, entre outras.
Na indústria aeronáutica estas ligas são muito utilizadas pela combinação de leveza, resistência e ductilidade, na produção seriada de aviões comerciais. As mais resistentes da série AA7000 suportam as pressões e tensões elevadas envolvidas em voos de alta altitude, e os painéis laminares finos são utilizados para o isolamento térmico. A redução final do peso estrutural das aeronaves é um grande benefício, pois resulta em mais eficiência energética dos motores (DURSUN; SOUTIS, 2014).
O projeto e desenvolvimento do Airbus A380, o maior e mais avançado avião produzido em escala comercial (até 2016), com um peso total (carregado) de até 575.000kg, só foi possível com pesquisa e desenvolvimento de novas ligas da série AA7000, que adicionaram resistência e durabilidade às asas, fuselagem, trens de aterrissagem forjados de alta resistência contra a fadiga operacional, entre outros (AIRBUS, 2016).
Como as ligas de alumínio possuem um alto grau de absorção de energia cinética, também são exploradas em termos de segurança, pois em um choque do veículo, uma grande parte da energia do impacto é absorvida pela estrutura de alumínio, e não pelos ocupantes do veículo (DURSUN; SOUTIS, 2014). As carrocerias automotivas produzidas em alumínio chegam a reduzir em até 47% do peso em relação às produzidas em aço, permitindo um desempenho melhor com um baixo consumo de combustível (ABAL, 2007).
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A utilização das ligas de alumínio, tanto conformadas como fundidas, não se limitam apenas em carrocerias e estruturas, mas também nos motores dos veículos, como blocos e cabeçotes de cilindros. A Figura 3.1 mostra como exemplos, o cabeçote do motor F-TYPE/4c – 2.0 litros, produzido na Inglaterra e utilizado no modelo esportivo Jaguar XE de alta eficiência, e a carroceria e plataforma, ambos produzidos em ligas Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg e Al-Si-Cu (JAGUAR, 2016).
a) b)
Figura 3.1. (a) Cabeçote de cilindro do motor F-TYPE e (b) estrutura do Jaguar XE. Fonte: JAGUAR, 2016.
Nos processos de fundição, as ligas de alumínio possuem uma gama de características que garantem boa qualidade final do produto, como boa fluidez para preencher seções delgadas, baixo ponto de fusão relativo, rápida transferência de calor do alumínio fundido para o molde, fornecendo curtos ciclos de fundição e estabilidade química (LEACOCK; HOWE; BROW, 2013). Muito mais leve que o ferro fundido e o aço, as ligas leves de alumínio tornaram-se um ótimo atrativo para a redução de peso quando substituídas as peças de ferro fundido, como ocorreu nos blocos dos motores à combustão (MORAIS, 2015).
O produto final, a partir das ligas fundidas de alumínio, em especial as ternárias de Al-Zn-Mg da série AA700.0 objeto deste estudo, diferentemente das conformadas que estão sujeitos a uma variação dos processos de aquecimento e de resfriamento, adquirem suas propriedades mecânicas já na condição de fundida (em alguns casos, melhoradas com tratamentos térmicos posteriores), e consequentemente, um grupo diferente de ligas tem sido formulado para a produção de peças fundidas (SPIM, 2004).
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Os produtos fundidos tendem a apresentar grande formação de porosidades, macro e micro, mas os processos atuais já as estão reduzindo bastante, principalmente em fundição sobre pressão. Uma pressão aplicada em torno de 70 MPa já é o suficiente para evitar, quase que por inteiro, a formação de poros no produto final com ligas de alumínio. Nas seções mais espessas da peça, onde existe maior probabilidade de aparecimento de porosidades, a pressão faz com que o metal líquido seja deslocado para preencher os poros que estão se formando, impedindo seu desenvolvimento (MORAIS, 2015).