1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 5 PROFESSOR: ORESTES ALARCON Alumínio e Suas Ligas Estrutura e Propriedades Texto traduzido e adaptado de: SMITH, Willian F. Structure and Properties of Enginnering Alloys, 2 nd ed.: Capther 5: Aluminium Alloys. New York: McGraw-Hill, Inc, s.d. Florianópolis – SC Abril 2003 Autores: Carlos Alberto B. Martins Claudio A. Treml Junior Fabiano Franquini Lindomeilo José de Souza Michel Marino Küchler
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 5
PROFESSOR: ORESTES ALARCON
Alumínio e Suas Ligas
Estrutura e Propriedades
Texto traduzido e adaptado de: SMITH, Willian F. Structure and
Properties of Enginnering Alloys, 2nd ed.: Capther 5: Aluminium
Alloys. New York: McGraw-Hill, Inc, s.d.
Florianópolis – SC
Abril 2003
Autores:
Carlos Alberto B. Martins
Claudio A. Treml Junior
Fabiano Franquini
Lindomeilo José de Souza
Michel Marino Küchler
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CAPÍTULO 5 – LIGAS DE ALUMÍNIO
O alumínio aparece em segundo lugar no ranking atrás apenas do ferro e do aço no
mercado dos metais. Em 1989 os Estados Unidos produziram 4,03 milhões de toneladas, com
recipientes e embalagens abrangendo 26,6% do mercado e 19,1% para outros fins (Tabela 5.1). A
Figura 5.1 mostra como a produção de alumínio nos Estados Unidos cresceu rapidamente a partir
dos anos 70.
O rápido crescimento da indústria do alumínio está atribuído unicamente a combinação das
propriedades que fazem deste o mais versátil de engenharia e materiais de construção. O alumínio
tem peso leve, porém algumas de suas ligas têm resistência tão alta quanto o aço estrutural. Têm
boa condutibilidade elétrica e térmica e alta refletividade a luz e ao calor. Têm alta resistência à
corrosão sob as mais altas condições de trabalho e é não-tóxico. O alumínio pode ser fundido e
trabalhado em quase todas as formas e pode-se obter grande variedade de formas. Com todas
estas propriedades apresentadas, não é surpresa que as ligas de alumínio vêm sendo de
primordial importância para engenharia de materiais.
5-1 PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO
Redução
O alumínio é um dos elementos metálicos mais abundantes na crosta terrestre, mas
sempre ocorre no estado combinado com outros elementos como o Fe, Si e O. A bauxita, hidróxido
de alumínio hidratado, é o principal minério utilizado pra a produção do alumínio. Sendo o óxido de
alumínio puro extraído da bauxita através do processo Bayer.
TABELA 5-1 - Consumo de alumínio recente por categoria de mercado*
Célula eletrolítica usada para produção de alumínio. (Cortesia de Aluminiun Company of América)
O processo Bayer refina o grão e calcina a bauxita com o tratamento térmico de hidróxido
de sódio que converte o alumínio em minério de sódio conforme a reação:
Al2O3 +2NaOH → 2NaAlO2 + H2O (160 – 170ºC)
Após a separação do resíduo insolúvel, constituído principalmente de óxido de ferro e
sílica, a solução de alumínio é resfriada lentamente a 25 – 35ºC para precipitação do hidróxido de
alumínio [Al(OH)3] de acordo com a reação
NaAlO2 + 2H2O → Al(OH)3 + NaOH
FIGURA 5-1
Histórico da produção da indústria
de alumínio nos Estados Unidos e
Canadá.
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O Al(OH)3 é então refinado, lavado e calcinado à 1100ºC para produção de óxido de
alumínio, Al2O3.
O óxido de alumínio é dissolvido em um banho de criolita fundida (Na3AlF6) e eletrolizado
em células eletrolíticas de carbono, usando como ânodo e cátodo o carbono. No processo de
eletrólise (processo Hall) o alumínio fundido é depositado no estado líquido no cátodo de carbono,
revestindo a parte inferior da soleira do lote eletrolítico, sendo que tenha maior densidade. Durante
a eletrólise, o oxigênio é liberado pelo ânodo, quando este ataca o carbono e forma CO e CO2. O
alumínio fundido é periodicamente liberado pelas células e tratado no estado fundido, o que
promove a remoção do excesso de óxido e de outros gases . A célula de liberação do alumínio
geralmente contém 99,5 a 99,9% de alumínio tendo, como impurezas, principalmente, ferro e
silício.
Fabricação primária
REFUSÃO E FUNDIÇÃO. O passo inicial para o processamento do alumínio é a operação de
refusão. Primeiro, as fornalhas são carregadas com alumínio liquido vindo das células de redução
ou com lingotes que são refundidos. Elementos de liga, lingotes de liga mestre e sucatas são
adicionados conforme necessidade. O metal fundido, refundido na fornalha é limpo com a retirada
da escória da superfície. No metal liquido retira-se também o fundente por escorificação ou com
gás a base de cloro para remover o gás de hidrogênio dissolvido. Quando o gás a base de cloro
forma bolha no metal líquido, o gás hidrogênio dissolvido é removido por ações químico-
mecânicas.
Após o metal estar limpo e desgaseificado é, então, separado e vazado. A forma do lingote
como lâminas ou tarugos extrudados são usualmente fundidos em métodos de fundição direta em
coquilha. Neste processo o metal fundido é liberado em um molde e solidificado, o fundo do molde
é enfraquecido para que o metal possa ser continuamente fundido em lingotes de
aproximadamente 14 pés de comprimento. O lingote possui seções de, aproximadamente, 18 por
64 polegadas.
TARUGOS. No caso de lâminas de lingote, quase metade do metal é removido da superfície do
lingote por estar em contato com rolos da conformação a quente. Este acabamento assegura a
limpeza, polindo a superfície para a fabricação de chapas finas.
PRÉ-AQUECIMENTO OU HOMOGENEIZAÇÃO. Os lingotes de liga laminados são aquecidos de
10 a 24h permitindo a difusão atômica para homogeneizar a estrutura vazada. Muitos constituintes
também são adicionadas na solução sólida, assim como a liga 3003 rica em manganês. A
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temperatura de pré-aquecimento deve ser mantida abaixo do ponto de fusão dos constituintes com
menor ponto de fusão.
LAMINAÇÃO A QUENTE. Os lingotes pré-aquecidos são reaquecidos à temperatura de laminação
a quente e são laminados em quatro rolos de laminação reversos. As placas neste laminador são
deformadas com espessura de 3 polegadas, então, são reaquecidas e mais adiante reduzidas de
¾ de 1 polegada em uma laminação intermediária. A redução é usualmente conduzida fora do
processo de laminação a quente para produzir metal com 0,1 polegada de espessura.
LAMINAÇÃO A FRIO. Depois do recozimento intermediário, o metal é laminado a frio até a
espessura desejada. Tratamentos de recozimento intermediário podem ser requeridos. A
quantidade máxima de redução que pode ser adquirida no simples passe através do laminador
depende da liga e do tratamento da placa sendo laminada. A redução percentual pode variar entre
30 - 65%. O recozimento final das chapas finas pode ser necessário. Quando se deseja uma
camada de óxido muito pequena, utiliza-se fornos especiais de atmosfera inerte.
5-2 CLASSIFICAÇÃO E DESIGNAÇÃO DOS TRATAMENTOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
Classificação
ALUMÍNIO E LIGAS DE ALUMÍNIO TRABALHADOS. O sistema de quatro dígitos numéricos é
usado para identificar alumínio e ligas de alumínio trabalhados. O primeiro dígito indica o grupo da
liga. O penúltimo dígito identifica a liga de alumínio ou a pureza do alumínio. O segundo dígito
indica a modificação da liga original ou limites de impureza. A tabela 5.2 lista os grupos de ligas de
alumínio trabalhadas.
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TABELA 5.2 - Grupos de ligas de alumínio trabalhadas
Alumínio, 99.00% mínimo
1xxx
Grupos de ligas de alumínio por maior elemento de liga Cobre 2xxx Manganês 3xxx Silício 4xxx Magnésio 5xxx Magnésio e silício 6xxx Zinco 7xxx Outros elementos 8xxx
Séries não usuais 9xxx
LIGAS FUNDIDAS. O sistema de designação de quatro dígitos numéricos é usado para identificar
o alumínio e suas ligas na forma fundida e lingotes fundidos. O primeiro dígito indica o grupo da
liga. Os dois seguintes dígitos identificam a liga de alumínio ou indicam a pureza do alumínio. O
último dígito, que é separado dos outros por um ponto decimal, indica a forma do produto, isto é,
fundidos ou em forma de lingote. A modificação da liga original ou dos limites de impureza é
indicado por uma letra antes da designação numérica. A letra “x” é usada por ligas experimentais.
Entretanto, as ligas de alumínio fundidas são identificadas mais freqüentemente por três
dígitos. A tabela 5.3 lista os grupos de ligas de alumínio fundidas.
TABELA 5-3 - Grupos de ligas de alumínio fundido
Alumínio, 99.00% mínimo 1xx.x Grupos de ligas de alumínio por elemento de liga
Cobre 2xx.x Silício, com adição de cobre e/ou magnésio 3xx.x Silício 4xx.x
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Magnésio 5xx.x Zinco 7xx.x Titânio 8xx.x Outros elementos 9xx.x
Séries não usuais 6xx.x
Designação de Tratamento
A designação de tratamento segue a designação de ligas e são separadas por um hífen.
As subdivisões básicas do recozimento são representadas pela adição de um ou mais dígitos (Ex.:
3003-H14).
DESIGNAÇÃO BÁSICA DE TRATAMENTO
F. Como fabricado. Sem controle sobre a quantidade de endurecimento por deformação; não
limita as propriedades mecânicas.
O. Recozimento e recristalização. Tratamento com menor resistência e maior ductilidade.
H. Endurecimento por deformação (abaixo segue as subdivisões).
T. Tratamento térmico para obter estruturas estáveis além de F ou O (abaixo segue as
subdivisões).
SUBDIVISÕES DO ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO
H1 Apenas endurecido por deformação. O grau de encruamento é indicado pelo segundo
dígito e varia de 1/4 de dureza (H12) até a dureza total (H18), que é produzida com a
redução de 75% de área.
H2 Endurecimento por deformação e recozimento parcial. Percorrendo de H12 até H18
obtidos por recozimento parcial de materiais trabalhados a frio com resistência inicialmente
mais alta que a desejada. A denominação das ligas é H22, H24, H26 e H28.
H3 Endurecido por deformação e estabilizado. Tratadas por um superenvelhecimento, as ligas
de alumínio-magnésio que são, encruadas e então aquecidas a baixa temperatura,
aumentam a ductilidade e estabilizam as propriedades mecânicas. A denominação das
ligas é H32, H34, H36 e H38.
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SUBDIVISÕES DE TRATAMENTO TÉRMICO
W Tratamento de solubilização
T Endurecido por envelhecimento
T1 - resfriamento a partir da temperatura de fabricação e naturalmente envelhecido
T2 - resfriamento a partir da temperatura de fabricação, deformação a frio e naturalmente
envelhecido
T3 – tratamento de solubilização, deformação a frio e envelhecimento natural
T4 – tratamento de solubilização e envelhecimento natural
T5 - resfriamento na temperatura de fabricação e envelhecimento artificial
T6 – solubilização e envelhecimento artificial
T7 – solubilização e estabilizado por superenvelhecimento
T8 – solubilização, deformação a frio e envelhecimento artificial
T9 – solubilização, envelhecimento artificial e deformação a frio
T10 - resfriado a partir da temperatura de fabricação, deformação a frio e envelhecimento
artificial
TABELA 5-4 - Composições químicas e aplicações de ligas de alumínio puras comerciais.
Ligas % de pureza % de Silício % de Ferro % de Cobre Aplicações 1050 99.50 0.25 0.40 0.05 Tubo bobinado, extrudado
1100 99.00 1.0 Si + Fe 0.12 nom. Chapa fina de metal trabalhada 1145 99.45 0.55 Si + Fe 0.05 Lâminas para capacitores 1175 99.75 0.15 Si +Fe 0.10 Chapas finas refletoras
1200 99.00 1.0 Si + Fe 0.05 Tubo bobinado, extrudado; chapa de metal trabalhada
1230 99.30 0.7 Si + Fe 0.10 Revestimento de chapas fina e chapas grossas
1235 99.35 0.65 Si + Fe 0.05 Lâminas para capacitores; tubos
A adição de 1,2% Mn no alumínio comercial puro (0,6% Fe e 0,2% Si) produz uma
moderada resistência a liga de alumínio não tratada termicamente. A adição de manganês
aumenta a resistência da liga por solução sólida e pela fina dispersão de precipitados. Esta
resistência pode ser aumentada pela adição de aproximadamente 1% de magnésio. Estas ligas
são geralmente utilizadas quando moderada resistência e boa trabalhabilidade são necessárias. A
Tabela 5.6 lista a composição química e aplicações para as ligas de alumínio-manganês-
magnésio.
Tabela 5.6 - Composição química e aplicações da liga alumínio-manganês
Ligas % Mn % Mg % Cu Aplicações
3003 1,2 0,12 Utensílios de cozinha, equipamentos químicos, cilindros de pressão, folhas serradas, ferramentas para construção
3004 1,2 1,0 Folhas serradas, tanques de estocagem, cilindros de pressão 3005 1,2 0,4 Produtos de construção civil, calhas 3105 0,5 0,5 Produtos de construção civil, calhas
FIGURA 5-5
Liga recozida 3003 (1,2% Mn); a estrutura consiste em
uma fina dispersão de (Mn, Fe)Al6 e α(Al-Fe-Mn-Si)
Impróprio para cilindro de pressão; utilização marinha, automotiva, partes de aeronaves, criogênica, torre de TV, aparelhos de perfuração, componentes de mísseis, capas para couraças
5154 3,5 Mg, 0,25 Cr Estruturas soldadas, tanques para armazenamento, cilindros de pressão, serviços em água salgada
5252 2,5 Mg Automobilístico e peças de enfeite 5254 3,5 Mg, 0,25 Cr Peróxido de hidrogênio e tanques de estoque químico 5356 0,12 Mn, 5,0 Mg, 0,12 Cr Eletrodo de solda, arame e eletrodos 5454 0,8 Mn, 2,7 Mg, 0,12 Cr Estruturas soldadas, cilindros de pressão, serviços marinhos,
tubos 5456 0,8 Mn, 5,1 Mg, 0,12 Cr Estruturas soldadas de alta resistência, tanques de estocagem,
cilindros de pressão, serviços marinhos 5457 0,3 Mn, 1,0 Mg Peças de enfeite (boa plasticidade em recozimento) 5652 2,5 Mg, 0,25 Cr Peróxido de hidrogênio e tanques de estocagem química 5657 0,8 Mg Peças de enfeite (bom brilho)
Estrutura
O magnésio, na maioria das ligas alumínio-magnésio está presente em solução sólida.
Entretanto, quando a concentração de magnésio nas ligas de Al-Mg excede, aproximadamente,
3,5%, Mg2Al3 pode precipitar a temperaturas baixas no tratamento térmico ou no resfriamento lento
a partir de elevadas temperaturas. Como exemplo, temos a liga 5086, que contém 4% Mg é
trabalhada a frio e aquecida em torno de 120 a 180oC. Nesta liga uma contínua rede de Mg2Al3
pode precipitar nos contornos de grão (Fig. 5.8). Esta estrutura é indesejável uma vez que pode
tornar a liga susceptível a trinca por corrosão sob tensão em condições adversas. É então mais
FIGURA 5-7
Diagrama de fases alumínio-
magnésio. [After K. R. Van Horn
(ed.), “Aluminum”, vol. 1 , American
Society for Metals, 1967, pág. 375.]
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desejado, neste tipo de liga, um alívio de tensões em altas temperaturas (i.e. 245oC) e com
processo cuidadoso origina uma dispersão de precipitados finos de Mg2Al3 na matriz da liga,
mostrado na Fig. 5-9.
Partículas de Mg2Si podem também estar presentes nas ligas Al-Mg comerciais
proporcional a quantidade de silício na liga, devido a baixa solubilidade do Mg2Si na presença de
excesso de magnésio. No caso das ligas de Al-Mg contendo cromo e manganês, outras fases
também são presentes, devido ao alto teor de ferro presente em todas as ligas comerciais de
alumínio puro.
FIGURA 5-8.
Liga 5086-H43, laminada a frio e estabilizada
de 120 a 177oC. Partículas indesejáveis de
Mg2Al3 formam uma rede de precipitados nos
contornos de grão; partículas grandes são
fases insolúveis. Este tipo de estrutura é
indesejável por ser susceptível, em algumas
condições, a trincas de corrosão sob tensão.
(After Metals Handbook, 8a ed., vol. 7,
American Society for Metals, 1972, pág. 244.)
FIGURA 5-9
Liga 5456, laminada a frio e com alivio de
tensões a 246ºC. O Mg2Al3 neste caso é
finamente distribuído sobre a matriz, e não
sendo contínuos pela rede de precipitados
nos contornos de grão. Este tipo de
estrutura é mais desejável e menos
susceptível a corrosão. Grandes partículas
são insolúveis na fase como Mg2Si
(escuro) e (Fe, Mn)Al6 (cinza). (After
Metals Handbook, 8a ed., vol. 7, American
Society for Metals, 1972, pág. 244.)
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Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas das ligas de alumínio-magnésio trabalhadas e não tratáveis
termicamente estão listadas na tabela 5.9. O limite de resistência à tração das ligas comerciais
alumínio-magnésio, recozidas, varia de 18 ksi, para liga 5005-O, e 45 ksi, para liga 5456-O. As
ligas 5083-O e 5086-O têm uma leve redução na resistência (42 e 38 ksi, respectivamente) quando
comparado a 5456-O. Produtos conformados da liga alumínio-magnésio estão sempre disponíveis
no tratamento de recozimento do tipo O, e usualmente no tratamento H3. O tratamento H3 é
geralmente usado em produtos endurecidos por deformação, uma vez que o tratamento H1
usualmente não é estável a temperatura ambiente. O tratamento H3 produz propriedades estáveis
com altos níveis de elongação e melhores características plásticas.
Embora as ligas de alumínio-magnésio sejam classificadas em não tratáveis termicamente,
a quantidade de magnésio solúvel nas temperaturas de recozimento para as ligas Al-Mg, com mais
que 4% Mg (como a 5083, 5086, 5056 e 5456), é maior que a retida em solução-sólida na
temperatura ambiente. Como resultado, se estas ligas são severamente encruadas e mantidas por
um longo tempo a temperatura ambiente, ocorrerá a precipitação de Mg2Al3 ao longo de bandas de
deslizamento. Também, se estas ligas são expostas a altas temperaturas em condições de
recozimento, a precipitação ocorrerá ao longo de contornos de grãos. Esta precipitação torna
essas ligas susceptíveis a corrosão intergranular em ambiente corrosivo. Por esta razão, o
tratamento H3xx tem sido desenvolvido para eliminar ou minimizar esta instabilidade, então essas
ligas possuem alta resistência.
TABELA 5.9 - Propriedades Mecânicas das ligas de alumínio-magnésio trabalhadas e não
1 ksi = 6,89 Mpa *rendimento de deformação equivalente a 2% **500-Kg de carga, 10mm diámetro ***Base de 500 milhões de ciclos usando máquina com eixo de rotação tipo R. R. Moore.
A presença de Mn, Zr, V e Ti na liga 2219 elevam a temperatura de recristalização que
atribuirá maior resistência a elevadas temperaturas. A figura 5.14 mostra o comportamento da
tensão de ruptura da liga 2219 depois de 100 e 1000 horas em 200 e 315ºC. Uma modificação
base de alta pureza da liga 2219, que a liga 2419 foi introduzido em 1972. A liga 2419, com mais
baixos níveis de ferro (0,18 % no máximo) e silício (0,15% no máximo.), tem maior tenacidade à
fratura para aplicações estruturais de aeronaves.
A liga trabalhada alumínio-cobre 2011 com 6.5% Cu, 0,04% Bi e 0,04% Pb têm sido a liga
básica de alumínio para tornos, desde que foi introduzida em 1934. Ela tem boas características de
corte e produtos de boa qualidade, cavacos facilmente quebradiços durante a usinagem. O
chumbo e o bismuto, entretanto, diminuem a resistência à corrosão na liga Al-Cu para algumas
extensões.
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5-7 LIGAS DE ALUMÍNIO – COBRE – MAGNÉSIO
Composições químicas e aplicações típicas
As ligas de alumínio – cobre – magnésio endurecidas por precipitação foram as primeiras a
serem descobertas. A primeira liga endurecida por precipitação foi uma modificação da liga 2017, a
qual possui agora composição 4,0% Cu, 0,6% Mg e 0,7% Mn. A liga 2014 com 4,4% Cu, 0,5% Mg,
0,8% Mn e 0,8% Si, foi desenvolvida mais tarde para ser mais sensível ao envelhecimento artificial
que a liga 2017, e esta liga é a mais empregada atualmente. A liga 2024, com 4,5% Cu, 1,5% Mg e
0,6% Mn, foi originalmente desenvolvida como uma liga envelhecida naturalmente, com alta
resistência, usada em estruturas de aeronaves substituindo a liga 2017. O aumento da resistência
foi obtido pelo acréscimo de Mg contendo de 0,5 a 1,5% desta liga. As tabela 5.12 lista as
composições químicas e aplicações típicas para as mais importantes ligas de Al-Cu-Mg.
TABELA 5-12 - Composição Química e aplicações da liga de alumínio- cobre- magnésio
Liga %Cu %Mg %Mn %Si %Ni % outros aplicações 2014 4,4 0,5 0,8 0,8
1 ksi = 6,89 Mpa * tensão de escoamento, 0,2% ** carga 500 Kg, diâmetro10 mm *** baseado em 500 milhões de ciclos usando máquina de rotação R.R. Moore
FIGURA 5.24
Microestruturas da liga 7075 em (a) a T651
completamente endurecida e (b) a T7351 em
condições de superenvelhecimento. (a) 7075 – T651
em comdições de completo envelhecimento a
estrutura mostrada (menor 75 Å)e η’ (~15 Å) na
matriz e 700 Å zona livre de precipitado no contorno
de grão; partículas maiores são precipitados ricos em
cromo. (b) 7075 – T651 envelhecidas a 175oC por 9 h
para superenvelhecimento da têmpera T7351, com η’
(100 a 300 Å) e η (400 a 800 Å) na matrix e 900 Å
zona livre de precipitado no contorno de grão.
(Micrografia por transmissão de elétrons). [ After P.N.
Adler et al., Metall Trans. 3(1972): 319.]
(b)
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5.10 LIGAS FUNDIDAS DE ALUMÍNIO
As ligas fundidas de alumínio tem sido desenvolvidas visando a qualidade de fundição,
fluidez e molhabilidade, assim como, as propriedades de resistência mecânica, corrosão e
ductilidade. Assim, devido a diferença das características requeridas, as ligas de alumínio para
fundição vão ter composições químicas diferentes das ligas trabalhadas.
Na tabela 5.18 são listadas as composições químicas, bem como suas aplicações.
Conforme pode ser observado na tabela, os três processamentos a partir dos quais são obtidas as
peças fundidas são: fundição em areia, em molde permanente (coquilha) e sob-pressão (injeção).
As ligas são classificadas de acordo com o sistema numérico da Aluminion Association, sendo os
elementos principais da liga fundida, o que determinam o primeiro algarismo (tabela 5.2).
TABELA 5.18 - Composição química e aplicação de ligas de alumínio para fundição
Fundição em Areia ou Coquilha
Ligas Al-Cu para Fundição
Liga %Cu %Si %Mg %outro
208
213
222 242
295
B295
4,0
7,0
10,0 4,0
4,5
4,5
3,0
2,0
– –
1,1
2,5
0,25
2 Ni
Componentes de uso geral produzidos por fundição em areia, tubos e válvulas de distribuição Agitadores em máquinas de lavar, cilindros automotivos, pequenas engrenagens Pistões, cilindros de refrigeradores de ar Cilindros de refrigeradores de ar, engrenagens de alta resistência Componentes fundidos com alta resistência mecânica e ao impacto Componentes para indústria aeronáutica
Ligas Al-Si-Cu para Fundição
%Si %Cu %Mg
308 5,5 4,5 Componentes de uso geral produzidos por fundição em
FIGURA 5-25
Envelhecimento de lâmina fina da liga de
alumínio a 120 a 150oC. [After J. A. Nock, Jr.
In K. R Van Horn (ed.), “Aluminiun”, vol 1,
American Society for Metals, 1967, p. 153.]
41
319
333
354
6,3
9,0
9,0
3,5
3,5
1,8
0,25
0,5
coquilha Componentes de uso geral produzidos por fundição em coquilha, engrenagens e cilindros automotivos Componentes de uso geral produzidos por fundição em coquilha, engrenagens e construção civil Componentes para indústria aeronáutica e fundidos com alta resistência mecânica
Ligas Al-Si-Mg para Fundição
%Si %Cu %Mg %outro
F332
335
C355
356
A356
357
A357 359
9,5
5,0
5,0
7,0
7,0
7,0
7,0 9,0
3,0
1,2
1,2
1,0
0,5
0,5
0,3
0,3
0,5
0,5 0,6
Fe<0,20
Be 0,05
Pistões automotivos, componentes com resistência mecânica a altas temperaturas Componentes utilizados em altas pressões, quando é exigida alta resistência mecânica, acessórios para construção civil e acessório para fixação de aeronaves Similar a liga 355, porém mais dúctil e mais forte. Mesmas aplicações e também na indústria aeroespacial. Componentes com boa resistência e ductilidade, aplicações na indústria automotiva em componentes estruturais de caminhões como bloco cilíndricos e rodas. Componentes estruturais para navios (aplicações em ambientes marítimos), motor de popa, corpo de bombas e cilindros de refrigeradoras, corpos de bombas e grades de sustentações usadas em pontes, motor de popa. Similar a liga 356, porém mais dúctil e mais forte. Melhor resistência a corrosão Componentes para mísseis e projéteis, aeronaves, máquinas e ventoinhas de alto desempenho para altas velocidades Componentes para aeronaves, míssies e projéteis. Componentes para aeronaves, míssies e projéteis, além de outras aplicações estruturais
Ligas Al-Cu-Mg-Ni para Fundição
%Si %Cu %Mg %Ni
A332 12 1,0 1,0 2,5 Pistões para automóveis, pistões para uso em óleo diesel, polias, roldanas e engrenagens para operações em elevadas temperaturas
Fundição Sob-Pressão
Liga %Si %Fe4 %Mg %Cu
413
A413 C443
360
A360 380
A380 383 384
12,0
12,0 5,3
9,5 9,5 8,5 8,5 10,5 11,3
2,0
1,3 2,0
2,0 1,3 2,0 1,3 1,3 1,3
0,5 0,5
3,5 3,5 2,5 3,8
Componentes de fina espessura, como caixas e sustentação do arame para máquina de escrever Idem a liga 413 Componentes injetados com alta resistência a corrosão e impacto Uso geral. Peças para tampas e caixas. Uso geral (desde linha branca e decoração até indústria aeroespacial)
42
Ligas de alumínio-silício para fundição
As ligas de alumínio para fundição que tem como elemento de liga mais importante o
silício, tem uma grande aplicação industrial devido às superiores características de fundição. Estas
ligas apresentam, comparativamente, alta fluidez no estado líquido, excelente molhamento durante
a solidificação, boa resistência à fragilização à quente e, conseqüentemente, boa resistência a
formação de trincas a quente. O silício também tem a vantagem de não reduzir a boa resistência à
corrosão apresentada pelo alumínio, aumentando inclusive a resistência a corrosão em ambientes
mediamente ácidos.
As ligas de Al-Si não são consideradas como tratáveis termicamente devido à baixa
quantidade de silício que é solúvel em alumínio (no máximo 1,65% em peso) e, uma vez que o
silício vai reprecipitar a partir da solução sólida causando pequena dureza.
No diagrama de fases da liga Al-Si, apresentado na figura 5.26, pode-se observar que a
composição eutética forma-se com 12,6% Si.
As mais importantes ligas binárias de alumínio e silício para fundição são a 443 (5,3% Si)
e a 413 (12% Si). A primeira pode ser processada em fundição em molde de areia ou em coquilha
e a segunda por fundição sobre pressão. Durante a solidificação da liga 443 (Al-5%Si) inicialmente
formam-se as dendritas, que são constituídas de alumínio quase puro. Os espaços entre estas
estruturas são então preenchidos com alumínio - silício eutético. Quando ocorre o resfriamento ela
FIGURA 5.26
Diagrama de Fase da Liga
Alumínio-Silício.
43
se decompõe em alumínio quase puro e silício. Quando a taxa de solidificação é aumentada as
células dendríticas se tornarão menor. Esta relação é ilustrada na figura 5.27, que mostra
diferentes regimes de solidificação para a liga 443. Na figura 5.27a, a liga 443-F foi produzida por
fundição em areia com rápido resfriamento, o que resultou numa estrutura com células dendríticas
bastante extensas. A figura 5.27b a liga B443-F foi produzida por fundição em coquilha, com mais
rápido resfriamento, e obteve-se um menor tamanho da célula dendrítica. Utilizando-se a mesma
liga e taxa de resfriamento ainda maior, em fundição sob-pressão, observa-se um ainda menor
tamanho da célula dendrítica (Figura 5.27c).
(a) (b)
(c)
FIGURA 5.27
Liga para fundição 443 com diferentes regimes de solidificação. Note que o tamanho das células dendríticas
diminui conforme a aumenta da taxa de resfriamento. (a) Liga 443-F, produzida por fundição em areia com
rápido resfriamento, numa estrutura com células dendríticas bastante extensas. Estruturas interdendríticas:
silício (cinza escuro), Fe3SiAl12 (cinza médio) e Fe2Si2Al9 (formas agulhares cinza claro). (b) Liga B443-F,
produzida por fundição em coquilha com mais rápido resfriamento. Obteve-se um menor tamanho da célula
dendrítica. (c) Mesma liga e taxa de resfriamento ainda maior, fundição sob-pressão. Microestrutura com o
menor tamanho da célula dendrítica.
44
FIGURA 5.28
Microestrutura da liga Al-7%Si fundida em areia (a) sem a modificação e (b) com a modificação do
sódio. Note o refinamento na estrutura estética modificada. [After B. Chamber – lain and V. J. Zambek,
AFS Trans. 81 (1973): 322.]
FIGURA 5.29
Resistência à tração das ligas de Al-Si. (a) Resultados de ensaios com corpo de prova em formato de barras
com 0,5 polegadas de diâmetro fundido em areia com e sem modificação e (b) Corpos de prova em formato
de barras e fundidos em coquilha sob as mesmas condições. [After Metals Handbook, 1948 edition, American
Society for Metals, 1948, p. 805.]
45
FIGURA 5.30
Estrutura das fibras de silício em ligas modificadas observadas em microscopia eletrônica de varredura. (a)
2500x e (b) 12000x. [After M. G. day and A. Hellawell, J. Inst. Met. 95 (1967): 377.]
Um recurso bastante utilizado para refinar a estrutura eutética da ligas Al-Si fundidas em
areia é a adição pequenas quantidades de Sódio (0,025%). O sódio pode ser adicionado tanto na
forma metálica como na forma salina após a fundição, e aumenta consideravelmente a estrutura
eutética como demonstrado na figura 5.28 (Al-7%Si). A adição de 0,025% de sódio também
promove na liga o aumento da resistência a tração (observe a figura 5-29), formando
irregularidades nas fibras de silício eutético, conforme pode ser observado na figura 5.30.
Ligas de Alumínio Silício Magnésio para Fundição
As propriedades de resistência da liga fundidas de Al-Si são melhoradas pela adição de
pequenas quantidades de Mg (em torno de 0,35%). A liga fundida de Al mais importante desse tipo
é 356, que contem 7% de Si, que aumenta a capacidade de fundição, e 0,35% Mg para fazer o
tratamento térmico da liga. O endurecimento se dá por precipitação e é atribuído pela fase
metaestável Mg2Si (seção 5.8) o conteúdo de Mg2Si está entre 0.5% e 0.6%.
46
(b) Liga 356-F, modificada com 0,025 Na e fundida a areia. Dendritas e silício eutético nos interstícios. (c) Liga
356-T7 modificada com sódio na fundição em areia. Partículas globulares de Si e placas de Fe2Si2Al9.
(Cortesia de F. Krill, Kaiser Aluminium Co., and as in Metal Handbook, 8th ed. vol. 7, American Society para
Metals, 1972, p. 258)
A microestrutura da liga 356 em condições severas de fundição e tratamento térmico é
mostrada na figura 5.31. A taxa lenta de solidificação induz ao avanço das partículas de silício em
fundição em areia nos espaços interdendríticos na liga eutética Al-Si (figura 5.31a). Esta liga
envelhecida artificialmente em condições fundidas não mudam a microestrutura óptica, mas
produzem dispersões finas de precipitados metaestáveis que endurecem a liga.
Se a liga 356 é modificada pela adição de 0,025% Na no metal fundido, a estrutura eutética
fundida em areia é refinada e as partículas de silício no eutético são menores e com ângulos
menores. Este refinamento melhora as propriedades mecânicas e solidificam vagarosamente a liga
fundida em areia, mas o principal benefício está em melhorar as características de molhabilidade
nos moldes em areia e permanentes. Esta pequenas partículas de silício produzem baixa
interfência no fluxo do metal líquido durante a solidificação. Como resultado, a liga modificada por
sódio produz um acabamento superior e menos contração microestrutural entre as dendritas
quando comparado aos metais não modificados.
FIGURA 5.31
Microestrutura da liga 356 (Al-7% Si
0,3% Mg) fundida e tratada termicamente
em diferentes condições. Ataque com HF
hidratado 0,5%. (a) Liga 356-T51,
fundida em areia e envelhecida
artificialmente. Os compostos angulares
em cinza escuro são silício, os
compostos pretos são Mg2Si, matriz de
alumínio com Si e Cu em solução sólida.
47
A figura 5.31b mostra a estrutura da liga 356 fundida em areia depois da modificação.
Quando a estrutura modificada é tratada termicamente, resfriada e superenvelhecida no tratamento
T7, partículas de silício aglomeram produzindo maiores partículas esferoidizadas (figura 5.31c).
Sabe-se que desde 1920, as placas e as agulhas constituintes de Al-Fe-Si reduzem a
resistência de ligas alumínio-silício fundidas (tabela 5-19). Reduzindo o nível de ferro da liga 356
para aproximadamente 0,10%, consideráveis aumentos na resistência pode ser alcançados.
TABELA 5.19 – Efeito da adição de ferro como impureza nas propriedades mecânicas da liga
As ligas de alumínio e cobre de fundição têm sido quase totalmente substituídas por ligas
de Al-Si-Mg. As principais razões para esta substituição é que esta ligas têm propriedades
mecânicas pobres, menor resistência à corrosão e densidade específica mais alta que as ligas de
alumínio-silício.
FIGURA 5.32
Liga 242-T571, fundida em coquilha e envelhecida
artificialmente. A estrutura mostra lâminas espessas de
NiAl3 (cinza escuro) no meio do grão de Cu3NiAl6.
Partículas claras inseridas no grão são compostos de
CuAl2. Também presente Mg2Si em preto. (Cortesia de F.
Krill, Kaiser Aluminium Co., and as in Metal Handbook, 8th
ed. vol. 7, American Society para Metals, 1972, p. 258).
48
Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas de ligas de Al fundidas selecionadas são listadas na Tabela 5-
20. A resistência a tensão das ligas fundidas Al usualmente estão em torno de 18 a 48 Ksi. Ligas
de Al fundidas em areia, por causa de seu grande tamanho relativo de célula dendrítica no que
implica em taxas de solidifiação mais lenta, tem resistência a tensão mais baixa do que ligas de Al
fundida em molde permanente ou injeção sob pressão. Resistências maiores são obtidas nos dois
últimos métodos por uma taxa de solidificação alta e menor porosidade de gás por utilizar moldes
de metal. Na injeção sob pressão a porosidade de gás é reduzida pela ação da pressão. Como
exemplo a liga 356 tem uma tesão de resistência mínima de 30 Ksi. Quando fundido em areia e
envelhecido para o pico de resistência (tratamento T6), mas quando é fundido em molde
permanente, tem-se um pico de resistência de 33 Ksi.
Tabela 5.20 – Propriedades Mecânicas de ligas de alumínio para fundição em areia, em
coquilha e sob-pressão*
Liga e Tratamento
Tipo de Fundição**
Resistência à tração, ksi
Resistência ao escoamento, ksi
Alongamento %
208 A 21 14 2,5 213 A 24 15 1,5 213 C 28 19 2,0
222-T551 C 37 35 <0,5 242-T571 C 40 34 1,0
295-T6 A 36 24 5,0 B295-T6 C 40 26 5,0
308 C 28 16 2 319-F C 34 19 2,5
FIGURA 5.33
Liga 242-T77, fundida em areia e termicamente tratada.
Os constituintes são os mesmos da microestrutura
apresentada na figura 5.32, mas as partículas de NiAl3 e
Cu3NiAl5 apresentam-se mais globulares. A precipitação
é causada pelo superenvelhecimento. (Cortesia de F.
Krill, Kaiser Aluminium Co., and as in Metal Handbook,
8th ed. vol. 7, American Society para Metals, 1972, p.
258).
49
319-T6 C 40 27 3,0 F332-T5 C 36 28 1,0 355-T6 C 42 27 4,0
C335-T61 C 44 34 3,0 356-T51 A 25 20 2,0 356-T6 A 37 24 3,5 356-T6 C 52 27 5,0 357-T6 C 47 43 5,0 359-T61 C 36 37 7,0
A332-T551 C 43 28 0,5 413 S 33 21 2,5 443 S 47 16 9,0 360 S 46 25 3,0
A360 S 48 24 5,0 380 S 48 24 3,0
A380 S 48 25 4,0 1 ksi = 6,89 Mpa * After “ASM Databook” publicado em Met. Prog., vol.112, no. 01, mid June 1977; and “ASM Databook,” publicado em Met. Prog., vol 114, no. 1, mid June 1978. **A: fundição em areia; C: fundição em coquilha; S: fundição sob pressão.
5.11 LIGAS DE ALUMÍNI0-LÍTIO
Ligas de alumínio foram desenvolvidas na década de 80 primeiramente para reduzir o peso
de aviões e estruturas aeroespaciais. Elas foram investigadas também para o uso em aplicações
criogênicas, como tanques de combustível com oxigênio e hidrogênio líquido em veículos
aeroespaciais. Contudo, o custo da liga Al-Li é tipicamente três à cinco vezes mais que o das ligas
convencionais de Al, isso devido à necessidade de equipamento especial para o processamento e
ao alto custo do Li. Deste modo, a aplicação destas ligas é limitada para programas onde a
redução de peso é a primeira preocupação.
Ligas Al – Li Comerciais
Visto que as ligas binárias de Al – Li tendem a ter baixas ductilidade e tenacidade a fratura,
foram produzidas ligas de Al – Li contendo Cu ou Cu e Mg, que fornecem precipitados finos e
homogêneos que aumentam a resistência da liga.
A tabela 5.21 lista a composição química de algumas ligas de Al – Li.
TABELA 5.21 - Composição química nominal de algumas ligas Al – Li comerciais
Liga %Li %Cu %Mg %Zr Aplicação 2090 2.2 2.7 - 0.12 Estruturas de aviões; tanques criogênicos 2091 2.0 2.1 - 0.10 Estruturas de aviões 8090 2.45 1.3 0.95 0.12 Estrutura de aviões
50
A liga 2090 foi desenvolvida para ser uma liga de alta resistência, com 8% mais baixa
densidade e 10% de aumento no módulo de elasticidade que a liga 7075 – T6, que é a liga de Al
com maior resistência, usada frequentemente em estruturas de aviões. A liga 2090 possui também
excelente soldabilidade e propriedades criogênicas e é própria para aplicações de formas
superplásticas. A liga 2091 foi desenvolvida para ser uma liga com tolerância de perdas, com 8%
de mais baixa densidade e 7% de maior módulo que a liga 2024 – T3. A resistência da liga 2091
não é tão alta que a da liga 2090 e, deste modo, é mais apropriado para estruturas secundárias. A
liga 8090 foi desenvolvida para ser uma liga com resistência média e tolerância de perdas, com
redução de aproximadamente 10% na densidade e aumento em 11% de módulo que as ligas 2024
e 2014.
Estrutura
A seqüência comum da transformação estrutural na decomposição da liga binária Al – Li