Materiais de Construção Mecânica I-B - DEMAT - EE - UFRGS PARTE 21 LIGAS METÁLICAS. Ligas Não Ferrosas Alumínio

(1)

PARTE 21

LIGAS METÁLICAS

Ligas Não‐Ferrosas

(2)

2

NORMAS MAIS UTILIZADAS

¤

UNS (Unified Numbering System). A normalização

unificada é uma norma mais recente que vem sendo

utilizada com freqüência cada vez maior.

¤

AA (The Aluminium Assotiation)

¤

ASTM (American Society of Testing and Materials)

¤

ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).

LIGAS NÃO‐FERROSAS

(3)

3

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Porque Utilizar estas Ligas?

¤

Apesar da versatilidade nas propriedades

das ligas ferrosas, facilidade de produção e

baixo custo, elas ainda apresentam

limitações como: alta densidade, maior

susceptibilidade a corrosão e outros.

¤

Diversificação ‐ existem ligas de uma

enorme variedade de metais como: Cu, Al,

Mg, Ti, refratários, super‐ligas, metais

preciosos e outros.

(4)

4

¤

O Alumínio (CFC) tem baixa densidade (2,7g/cm

3

_, 1/3 da

densidade de aço).

¤

Terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre depois do

O e do Si.

¤

Obtenção: produção primária através da Bauxita. Produção

primária do Al: Al

₂

O

₃

(ponto de fusão: 2045ºC) e produção

secundária a partir de sucata.

¤

Resistente à corrosão – formação de uma película estável e

homogênea de Al

₂

O

₃

.

¤

T fusão ≈ 660°C e T ebulição ≈ 1850°C.

¤

A resistência mecânica pode ser aumentada através de ligas com

Cu, Mg, Si, Mn e Zn e outros.

¤

Possui alta ductilidade.

¤

Excelente trabalhabilidade.

Ligas de Alumínio

LIGAS NÃO‐FERROSAS

(5)

5

OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO

Fonte: Profa. Andréa Bernardes – DEMAT - UFRGS

Mina de extração de bauxita da Companhia Brasileira de Alumínio

(CBA), do Grupo Votorantim na cidade de Miraí - Minas Gerais

(6)

6

OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO

Fonte: Profa. Andréa Bernardes – DEMAT - UFRGS

• Bauxita: 50 a 70% de Al

₂

O

₃

, 0 a 25% de Fe

₂

O

₃

; 12 a 40% de H

₂

O, 2

a 30% de SiO

₂

além de TiO

₂

, V

₂

O

₃

;

• Al

₂

O

₃

(alumina) é separado dos demais utilizando NaOH (soda

cáustica) a quente. O Al

₂

O

₃

dissolve‐se sendo separado por

decantação;

• Al

₂

O

₃

: óxido muito estável;

• Ponto de fusão: 2045°C;

• Redução do Al

₂

O

₃

com CO: exige temperaturas acima de 2000ºC

com formação de carbetos indesejáveis;

• Redução do Al

₂

O

₃

através de Eletrólise e Fusão em Sais:

temperaturas próximas a 1000ºC e formação de perfluorcarbonos

‐ tetrafluormetano (CF

₄

) e o hexafluoretano (C

₂

F

₆

) ‐ gases do efeito

estufa.

(7)

7 Fonte: Profa. Andréa Bernardes – DEMAT – UFRGS e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde

FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO

Produção Primária

A produção do alumínio metálico, a partir da bauxita purificada, é

feita através de eletrólise do Al

₂

O

₃

dissolvido em criolita (Na

₂

AlF

₃

), à

temperatura de 940‐980°C, em uma cela de aço. O alumínio produzido

vai para o fundo da cela e é removido periodicamente.

(8)

8 Fonte: Profa. Andréa Bernardes – DEMAT – UFRGS e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde

OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO

A produção do alumínio

secundário (reciclagem) evita

a extração da bauxita, pois

para cada 1 tonelada de

alumínio reaproveitado,

deixa‐se de retirar do solo 5

toneladas do minério. Outra

grande vantagem é que se

gasta apenas 750 kWh,

enquanto que a mesma

quantidade com o uso do

alumínio primário, gasta

17.600 kWh, o que representa

uma economia de energia

95% de energia, seu principal

insumo para produção.

(9)

9 Fonte: Revista Escola de Minas www.scielo.br/scielo.php?pid=S0370-4467200100...e Trabalho da UFRJ sobre Reciclagem de Lixo de Química Verde

FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO

Produção Secundária

(10)

¤

Não é ferromagnético.

¤

Alto índice de reciclagem.

¤

Custo competitivo – ainda é 2 ½ mais caro que o aço.

¤

Excelente aspecto estético.

¤

Condutividade térmica e elétrica aproximadamente metade do

Cu. Ex. condutividade térmica do Cu C11000 (eletrolítico) =

388W/m‐K e o Al 1100 (recozido) = 222W/m‐K.

¤

Principal componente da Anodização ‐ processo eletrolítico que

promove a formação de uma camada de óxido na superfície do

metal.

¤

Resistência à tração máxima (σ

_TM

):

Al puro – comercialmente puro: 6 a 9 kgf/mm

2

_.

Ligas Al – pode chegar a 57 kgf/mm

2

_(572MPa).

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Fonte: http://www.infomet.com.br/h_alumínio.php, http://www.dcmm.puc-rio.br/cursos/cemat, aulas Profa. Andréa Bernardes

Ligas de Alumínio

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Este processo eletrolítico

promove a formação de uma

camada controlada e uniforme de

óxido na superfície do metal. O Al

é um ex. muito comum de

anodização que ocorre por

conversão do Al em Al

₂

O

₃

(película

fina, resistente, impermeável e

homogênea).

Eletrólitos usados:

‐ Solução aquosa de ácido

sulfúrico

‐ Solução aquosa de ácido oxálico

‐ Solução aquosa de ácido crômico

Ânodo: própria peça

Cátodo: qualquer outro metal

ANODIZAÇÃO

Fe Al₂O₃ H₂SO₄ – 20% Al Há reação do Al com o eletrólito e conseqüente formação da camada de óxido protetora. Com a formação da camada, há o aumento da resistência à corrosão e o aumento da resistência mecânica superficial.

(12)

12

¤

A qualidade das soldas de Al e suas ligas quando envolvem

processos de fusão é afetada por formar grão de grosseiros

típicos de estruturas brutas de fusão ‐ utilizada

preferencialmente a soldagem MIG (Metal Inert Gas) e TIG

(tungsten inert gas). Preferível a utilização de processos que não

envolvam fusão como soldas a fricção. Ex. friction stir welding

(FSW) – solda por fricção e mistura mecânica.

¤

Novas ligas com Al, Mg e Ti tem aplicação na indústria

automobilística, reduzindo o consumo a partir de redução do

peso. De 1976 a 1986 o peso médio dos automóveis caiu cerca de

16% devido à redução de 29% do uso de aços, ao

aumento de

63% no uso de ligas de Al

e de 33% no uso de polímeros e

compósitos.

Ligas de Alumínio

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Fonte: Apostila Plínio

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13

SOLDAGEM MIG E FSW

FSW

MIG/TIG

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14

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Classificação – Processo de Fabricação:

¤

Ligas Trabalhadas – por laminação,

forjamento e outros processos.

¤

Ligas Fundidas

¤

Nomenclatura e Simbologia:

De acordo com a AA (Aluminium

Association)

Ligas Trabalhadas – XXXX

Ligas Fundidas – XXX.X

Ligas de Alumínio

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15

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Classificação – Mecanismo de

Endurecimento:

¤

Divididas em:

Ligas termicamente

tratáveis (TT)

(séries 2XXX, 6XXX, 7XXX e a

maioria da série 8XXX) ‐ podem endurecer

por meio de tratamento térmico de

solubilização e envelhecimento e

Ligas

endurecidas por trabalho a frio

‐ (séries

1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX).

¤

Tipos de TT:

F

(como fabricado),

O

(recozido),

W

(solubilizado),

T

(termicamente tratado, dentre eles os

mais importantes:

T4

‐ solubilizado e

envelhecido naturalmente e o

T6

‐

solubilizado e envelhecido artificialmente.

Fonte: http://www.infomet.com.br/h_alumínio.php, http://www.dcmm.puc‐rio.br/cursos/cemat

Ligas de Alumínio

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16

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Fonte: http://www.infomet.com.br/h_alumínio.php, http://www.dcmm.puc‐rio.br/cursos/cemat

Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga

1xxx Alumínio puro -2xxx Cu Mg , Li 3xxx Mn Mg 4xxx Si -5xxx Mg -6xxx Mg , Si Cu 7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr, Sc 8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg

-CLASSIFICAÇÃO

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17

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Tratamentos Térmicos:

¤

Recozimento para alívio de tensões

¤

Recozimento para eliminar o encruamento

¤

Solubilização e Precipitação – aumento de resistência por adição de

elementos de liga (formação de solução sólida e/ou precipitação de

fases).

Ex. liga Al da série 2000 com 4% Cu em peso

(1)

aquecimento a 550°C para colocar todo o Cu em solução no Al;

(2)

resfriamento brusco em água ou óleo para manter o Cu em solução.

Ou seja, não deve‐se tocar o cotovelo da curva C para obtenção de

uma solução sólida supersaturada de Cu a temperatura ambiente;

(3)

Executar os trabalhos mecânicos de projeto;

(4)

Tratamento de precipitação: envelhecimento natural ou artificial a

uma temperatura de 150°C por 100 horas. A fase α ou Al

_ss

se

transformará na mistura em equilíbrio da fase α saturada com Cu +

θ (CuAl

₂

).

T(°C) ~ 120 – 200°C

(18)

18

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Al_ss + θ

Fonte: Metals vol.3

Onde:

θ composto

estequiométrico ~ 53%Cu e 47%Al

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19

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Fonte: Engenharia de Materiais vol.II – Ashby e Jones

Diagrama TTT para a precipitação do CuAl₂ a partir da solução . As partículas de segunda fase θ” são os precipitados coerentes com a matriz responsáveis pelo pico de resistência mecânica que coincide com o envelhecimento artificial da liga . As zonas de Guinier Preston (GP) não se formam acima de 180°C. As Zonas GP são concentrações de átomos de Cobre que também contribuem para o endurecimento da liga.

Ligas de Alumínio

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20

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Alteração do limite de resistência à tração da liga de Al + 4%Cu medido a temperatura ambiente a partir de diferentes tempos de envelhecimento a 150°C. Além do aumento no tamanho dos precipitados, há o aumento do espaçamento entre eles de 10nm para 1μm ou mais.

Ligas de Alumínio

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LIGAS NÃO‐FERROSAS

Microestruturas a temperatura ambiente da liga de Al + 4%Cu. (a) Produzida por resfriamento lento a partir de 550°C – precipitados grandes e espaçados. (b) Produzida por resfriamento moderado a partir de 550°C – precipitados pequenos e juntos.

Ligas de Alumínio

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22

LIGAS NÃO‐FERROSAS

A – microestrutura lamelar no eutético de uma liga Al‐Cu (33,2%Cu). A matriz é uma solução sólida rica em Al com átomos de Cu (clara) com lamelas (relevo) de uma segunda fase θ constituída de CuAl₂.

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LIGAS NÃO‐FERROSAS

Ligas de Alumínio

Aplicação ‐

Ligas Trabalhadas

a) Alumínio comercialmente puro (99,3%Al) + (Fe, Si, Cu e outros em pequenos teores) – endurecível por encruamento.

Usos: usadas para produtos de baixa resistência mecânica, como uso em panelas, perfis etc. A resistência a corrosão é menor do que o Al puro.

b) Al‐Mn: Ex. 1,2% Mn + Al + impurezas ‐ resistência à corrosão aliada às propriedades mecânicas conferidas pela adição de Mn – endurecível por encruamento.

Usos: tanques para armazenagem de combustíveis.

c) Al‐Mg‐Si ‐ Ex. AA6056 (Albal. + 0,71%Mg + 1,2%Si + 0,7%Cu + 0,66%Mn, adições de Zn, Fe, Cr e Ti) na condição T4 tem σ_TM= 293MPa e σ_y = 197MPa; na condição T6 tem σ_TM = 299MPa e σ_y = 218MPa. A liga 6061 (Albal. +

1%Mg, 0,6%Si, 0,3%Cu e 0,2%Cr na condição T4 tem σ_TM = 240MPa e σ_y = 145MPa. Usos em vagões de trem, caminhões, cascos de embarcações, mobília, aeronáutica e outros. d) Al‐Zn: Ex. 5,5%Zn, 2,5%Mg, 1,5%Cu + Cr + Mn + Al bal. ‐ apresentam a melhor resistência mecânica das ligas tratáveis termicamente. Ex. Al AA 7075 – 5,6%Zn, 2,5%Mg, 1,6%cu, 0,23%Cr + Al bal; T6; σ_TM = 572MPa e σ_y = 503MPa. Usado em fuselagem e peças de aeronaves e outros.

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24

Exemplo da relação estrutura, propriedades e processo de

fabricação – laminação, aplicada a uma barra

de alumínio laminado

LIGAS NÃO‐FERROSAS

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25

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Diagrama de equilíbrio pseudo‐

binário das ligas Al‐Mg‐Si (série

6000). Mostra o campo monofásico

alfa evidenciando que acima da

linha “solvus”, o Mg e o Si

dissolvem‐se na matriz do Al.

Ex. para um teor de 1,0 % de

Mg

₂

Si, a 500°C os precipitados de

Mg

₂

Si são termodinamicamente

instáveis e, com tempo suficiente,

dissolvem‐se na matriz de

alumínio. Quando é feito um

resfriamento rápido em água,

mantém‐se, à temperatura

ambiente, a solução sólida

supersaturada com Mg e Si

dispersos na matriz de Al.

Ligas de Alumínio

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26

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Diagrama de transformação

apresentando as curvas em C

de 4 diferentes ligas de Al.

O tempo indica que o

resfriamento da liga AA7075

deve ocorrer em 3 segundos

enquanto que o resfriamento

da liga AA6063 pode ser em

meios mais brandos (óleo).

Ligas de Alumínio

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27

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Aplicação ‐ Ligas Trabalhadas

e) Al‐Cu: as ligas trabalháveis deste grupo tem o teor de Cu inferior a 5,7%. Uma das ligas mais conhecidas desta classe é o “Duralumínio” – nome que vem da cidade de Düren – Alemanha. O duralumínio 2017 é o mais antigo e um dos mais usados. Composição: 93,2 a 95,5% Al; 3,5 a 5,5% Cu; 0,5 a 0,8% Mg. A presença desses elementos de liga eleva a resistência mecânica de 9 kgf/mm2 _{do Al comercialmente} puro para 18,2 kgf/mm2 _{do AA2017 no estado recozido. Após tratamento} térmico de solubilização e precipitação atinge o valor de 43 kgf/mm2_. Na indústria aeronáutica a liga AA2017 é alterada para a liga AA2024 com composição química de 4,5%Cu, 0,6%Mn, 1,5% Mg + Al bal. Esta liga tratada termicamente apresenta melhor resistência mecânica e melhor limite de escoamento, permitindo redução de peso. As resistência à corrosão destas ligas sofre queda acentuada em função do aumento da resistência mecânica pela formação das partículas de segunda fase. Para evitar a corrosão intergranular , principalmente em atmosferas salinas, desenvolveu‐se os ALCLADS AA2017 e AA2024.

Ligas de Alumínio

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28

LIGAS NÃO‐FERROSAS

É um “sanduíche” de materiais onde uma chapa de

duralumínio é revestida em ambas as faces por camadas

de Al puro que, geralmente, compreende a 10% da seção

transversal.

O ALCLAD destas ligas de Al alia resistência a corrosão

do Al puro a resistência mecânica do duralumínio.

Este processo pode ser por laminação conjunta,

soldagem e outros processos.

Duralumínio Al puro

ALCLAD

Ligas de Alumínio

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Al + Si Si + L Al 29

LIGAS NÃO‐FERROSAS

Aplicação ‐

Ligas Fundidas

Estas ligas, além das características das ligas trabalhadas, devem apresentar: ‐ Boa fluidez e fundibilidade; ‐ Baixa contração volumétrica; ‐ Baixa tendência à formação de trincas, tanto a quente quanto a frio; Principais ligas para fundição: Al‐Si, Al‐Cu, Al‐Cu‐Si, Al‐Mg Eutético de uma liga Al‐Si (12,6%Si). As ligas eutéticas e levemente hipereutéticas apresentam estrutura grosseira, dura e frágil – ocorre devido à plaquetas de Si (cristais primários) que se formam no resfriamento lento.

Ligas de Alumínio

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LIGAS NÃO‐FERROSAS

B ‐ microestrutura acicular no eutético de uma liga Al‐Si (12,3%Si). A fase branca é a matriz de Al e a fase escura (acicular) é a fase de Si. A adição destes agentes provoca o deslocamento do ponto eutético de 12,6%Si para 14%Si e um abaixamento da temperatura do eutético de 577°C para aproximadamente 562°C, resultando num refino na microestrutura (diminuição apreciável no tamanho das partículas de Si e seu arredondamento). Estes fatores combinados associados a uma boa dispersão das partículas de Si, promove o endurecimento e o aumento da resistência mecânica da liga de Al fundida sem perda significativa da ductilidade.

Aplicação ‐ Ligas Fundidas

Tratamento de Modificação das Ligas de Al‐Si. Procedimento: ‐ Pouco antes do vazamento adicionar à liga agentes modificadores (mistura de fluoretos e cloretos metálicos alcalinos como Na e K ou alcalino‐terrosos como Mg, Ca, Ba).