O Alumínio

Principais Características do Alumínio

• Baixo peso. O alumínio apresenta densidade - 2,7 g/cm3, aproximadamente 1/3 da densidade do aço.
• Excelente conductividade eléctrica e térmica (de 50 a 60% da conductividade do cobre).
• Resistente à corrosão atmosférica, corrosão em meio aquoso (inclusive água salgada), óleos, e diversos produtos solventes.
• Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformação de componentes com elevadas taxas de deformação.
• Não é ferromagnético (característica importante para aplicações eletro-eletrônicas)
• Não é tóxico e portanto, é largamente empregado em embalagens
• A resistência mecânica do alumínio puro é baixa (~90MPa), entretanto, são empregues os seguintes mecanismos de endurecimento:
  Endurecimento por solução sólida (ligas não tratáveis)Endurecimento por dispersão de partículas (ligas não tratáveis)Encruamento (ligas não tratáveis)Endurecimento por dispersão de partículas coerentes ou sub-microscópicas (ligas tratáveis termicamente)
• A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 °C), o que, limita a temperatura de trabalho destas ligas.

Aplicações das Ligas de Alumínio Certificadas

Denominação:

• Na série 1xxx, os dois últimos dígitos indicam a % de Al acima de 99%. exemplos:
  
  liga 1050 - 99,50% de Al
  liga 1060 - 99,60% de Al
  
  O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de algum elemento de liga. Se o 2.º dígito for 0 (zero), indica que o Al não foi ligado e apresenta o limite de impurezas convencional. Os números entre 1 e 9 indicam controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adição de elementos de liga.
  
  
• Nas séries 2xxx à 8xxx, os dois últimos dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmo grupo (número sequencial)
  
  O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de elementos de liga.
  
  Ligas experimentais também utilizam este sistema de classificação, porém, são indicadas pelo prefixo X.

Série 1XXX

Alumínio comercialmente puro, não ligado, com pureza igual ou superior à 99% de Al. Fe e Si são as principais impurezas.
As ligas da série 1000 são caracterizadas pela excelente resistência à corrosão, alta conductibilidade térmica e eléctrica, baixa resistência mecânica e elevada ductilidade.
Um aumento moderado na resistência mecânica pode ser obtido por meio de encruamento.

Aplicações:

• equipamentos de industria química;
• reflectores;
• condutores eléctricos;
• embalagens (papel alumínio);
• painéis decorativos para uso na construção civil;

Série 2xxx

O COBRE é o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg é o elemento de liga secundário.
São ligas tratáveis termicamente, podendo, após os tratamentos, atingir-se a resistência de aço baixo carbono (450 MPa). A resistência à corrosão das ligas da série 2xxx é inferior a de outras ligas de alumínio. Sob certas condições estas pode apresentar corrosão intergranular. As ligas desta série apresentam boa usinabilidade e características de soldagem limitadas (excepto a liga 2219).

Aplicações:

• componentes com elevada relação resistência/peso, sujeitos a temperaturas inferiores a 130ºC;
• rodas forjadas para a indústria aeronáutica e de camiões ;
• fuselagem e componentes estruturais de aeronaves (ver figura);
• componentes de suspensão de automóveis.

Série 3xxx

O MANGANÊS é o elemento de liga principal.
As ligas desta série não são tratáveis termicamente, entretanto, apresentam resistência 20% superior que ligas da série 1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%) existem poucas da série 3xxx. Entretanto três delas são largamente empregues na indústria: 3003, 3004 e 3105.

Aplicações:

• componentes de resistência mecânica baixa que exijam elevada ductilidade;
• latas de bebidas;
• utensílios de cozinha;
• tanques de armazenamento;
• sinalização rodoviária;
• painéis decorativos e destinados para uso na construção civil;

Série 5xxx

O MAGNÉSIO é o elemento de liga principal. O Mg é um dos elementos mais efectivos no endurecimento do Al. Quando utilizado como elemento principal ou em conjunto com o Mn, o resultado são ligas não tratáveis com resistência moderada à elevada. O Mg é considerado mais efectivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg tem o mesmo efeito sobre a resistência que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado em quantidades elevadas (~15%).
Ligas desta série possuem boas características de soldagem e resistência à corrosão em atmosfera marinha.

Aplicações:

• Uso em arquitectura e decoração;
• embalagens (tampas de latas de Al);
• suportes para iluminação pública;
• peças de barcos e navios;
• tanques para criogenia;
• componentes de guindastes e automotores;

Série 6xxx

O MAGNÉSIO e o SILÍCIO são os elementos de liga principais.
A proporção de Mg e Si visa a formação da fase Mg2Si, formando ligas tratáveis termicamente. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade, boas características de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão.

Aplicações:

• Uso em arquitectura e decoração;
• quadros de bicicletas ;
• estruturas soldadas.

Série 7xxx

O ZINCO é o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e 8%. Adições em conjunto com Mg resultam em ligas tratáveis termicamente com resistência mecânica elevada. Normalmente, Cu e Cr também são adicionados em pequenas quantidades.

Aplicações:

• componentes da indústria aeronáutica como estruturas, peças móveis e componentes de alta resistência.

Série 8xxx

As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composições com uma miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aeroespacial e criogenia.

Na natureza o alumínio nunca é encontrado no seu estado metálico, mas como partede vários minerais onde normalmente está combinado com silício e oxigénio.Bauxiteé a único minério do qual o alumínio pode ser extraído de uma forma economicamente viável.Depois de extraído o minério (Bauxite), um processo químico é usado para extrair óxido de alumínio (Alumina) e um processo electrolítico transforma aaluminaem alumínio.São necessárias cerca de 4 ou 5 toneladas debauxitepara produzir 2 toneladasdealuminaque irão resultar numa única tonelada de alumínio.

• Processo Bayer (Processo químico Bauxite>Alumina)

O primeiro passo neste processo consiste em misturar bauxite triturada numa solução
de soda cáustica quente. Isto permite que o hidrato de alumina se dissolva
do minério. Depois da escória ser removida através de decantação e filtragem,
a solução cáustica é transferida para grandes tanques onde o hidrato
de alumina cristaliza. Este hidrato é depois seco e submetido a elevadas temperaturas
é transformado num pó branco e fino conhecido como alumina.

O processo Bayer é o principal processo industrial de produção de alumina Al2O3 e foi desenvolvido por Karl Josef Bayer em 1888, que por sua vez é importante no processo Hall-Héroult de produção de alumínio.

A bauxita, o mais importante minério de alumínio, contém apenas cerca de 40-60% de alumina, Al2O3, sendo o resto uma mistura de sílica, vários óxidos de ferro, e dióxido de titânio. A alumina deve ser purificada antes de poder ser refinada à alumínio metálico. No processo Bayer, a bauxita é lavada com uma solução quente de hidróxido de sódio, NaOH, a 175°C. Isto converte a bauxita em hidróxido de alumínio, Al(OH)3, que se dissolve na solução de acordo com a equação química:

Al2O3+ 2 OH- + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]-

Os outros componentes da bauxita não se dissolvem e podem ser filtrados como impurezas sólidas. Depois, a solução de hidróxido é resfriada, e o hidróxido de alumínio dissolvido precipita-se em um sólido branco. Quando então aquecido à 1050°C, o hidróxido de alumínio se decompõe em alumina, liberando vapor de água no processo:

2 Al(OH)3 → Al2O3+ 3 H2O

• Processo electrolítico (Alumina>Alumínio)

A equação deste processo é 2Al2O3 + 2C = 4Al + 3CO2

A substância obtida no processo anterior é um composto de oxigénio (O2) e alumínio
(Al). Para obter metal a partir da alumina, estes elementos têm de ser separados
por electricidade num processo de fundição. Este processo tem lugar
em grandes recipientes bobinados a cobre através dos quais circula corrente eléctrica.
O fundo destes recipientes actua como cátodo (eléctrodo negativo).
Blocos de carbono (C) são suspensos por cima dos recipientes para actuarem
como ânodos (eléctrodos positivos). A corrente eléctrica que circula
por resistências mantém a mistura quente, derretendo-a e causando a separação
em oxigénio e alumínio; o oxigénio reage com os blocos de carbono transformando-se
em dióxido de carbono (CO2).
O alumínio fica no fundo do recipiente, no estado fundido.

Depois deste processo, o alumínio é tratado para garantir pureza e alguns elementos
são adicionados para aumentar a resistência ou conferir certas características especiais
à liga.
O alumínio é então, ainda no estado liquido, despejado em "lingoteiras" para solidificar
na forma de lingotes/biletes. Estes serão depois, através do processo de extrusão transformados em perfis.

Processo elétrico de refinação da bauxita. Consiste em moldar e moer a bauxita para depois misturar com carvão. Se eleva a temperatura de 1000ºC. Atingida esta temperatura, introduz-se uma nova quantidade de carvão (ou coque) com o objetivo de reduzir ainda mais a mistura e liberá-la de impurezas. Leva-se a um forno elétrico aplicando-se uma temperatura de 2500ºC, obtendo-se a alumina, que é extraída da parte alta do forno em forma de "palomitas de maiz(pipoca em espanhol)". Posteriormente a alumina obtida é tratada com água quente e ácido sulfúrico para liberá-la dos possíveis óxidos de titânio que podem ter restado.

Este método tem sido útil comercialmente durante anos, porém foi substituido por outros métodos como o proceso Bayer modificado. A alumina obtida por este método possui somente um terço da densidade obtida pelo processo Le-Chatelier.

Outros métodos de obtenção da bauxita são conhecidos como o processo Alcoa e o processo Pendersen.

O alumínio é uma descoberta relativamente recente, no entanto, já nas antigas civilizações estava presente na arte, fabricação de utensílios e até na medicina.Vamos seguir a ordem cronológica...

5300 AC

Oleiros na Pérsia antiga faziam potes e taças mais fortes usando um barro que consistia em grande parte em silicatos de alumínio hidratado.

2000 AC

Compostos de alumínio eram usados para cosméticos e fins medicinais pelos Egípcios e povos da Babilónia.O alumínio era conhecido como o "metal do barro" e por centenas de anos não foi possível isolá-lo através de nenhum método conhecido. Só em meados do século XVIII (depois de cristo), os químicos começaram a desvendar os seus segredos...

1782

O químico francêsLavoisierdescreveu o alumínio como um óxido de um outro metal

1807

Concordando com a teoria deLavoisier, o cientista InglêsSir Humphrey Davybaptizou o alumínio (aluminum/aluminium) em 1807, sem ter tido, no entanto, sucesso na produção do mesmo.

1825

Uma pequena porção de alumínio foi produzida na Dinamarca porH C Oersted. Este cientista foi o primeiro a preparar alumínio metálico, e fê-lo através do aquecimento de cloreto de alumínio anidro com uma amálaga de potássio.

1845

O método deH C Oerstedfoi melhorado porFrederick Wöderque substitui a amálaga por potássio e desenvolvendo um método mais eficaz para desidratar o cloreto de alumínio.

1854 a 1859

Henri Sainte-Claire, francês, deu mais um contributo para o método até agora utilizado, substituindo o caro potássio por sódio, usando um cloreto de alumínio-sódio em vez do cloreto de alumínio.Henrié encorajado porNapoleão IIIa produzir comercialmente, e na exposição de Paris de 1855 barras de alumínio foram exibidas junto às jóias da coroa, sendo chamado como "prata feita de argila". Para a produção,Henrimontou uma fábrica-piloto perto de Paris. No fim dos anos 50, deste século, as primeiras fábricas de produção comercial de alumínio foram estabelecidas em França e Grã-Bretanha.

1886

Charles Martin Hall(Oberlin, Ohio) ePaul L.T. Héroult(França) de 21 anos ambos, num episódio de espectacular coincidência, descobriram e patentearem, quase simultaneamente, o processo básico de produção de alumínio que ainda é usado nos dias de hoje. Este processo é conhecido porHall-Héroulte consiste em dissolver alumina em criolite fundida e decomposta electroliticamente.

• F - como fabricado – Refere-se a condição resultante após qualquer tipo de processamento (laminação a frio, laminação a quente, fundição, etc.) em que não foram realizados controlos sobre a velocidade de arrefecimento ou quantidade de encruamento empregados.
• O - recozido – Nos produtos certificados, refere-se a produtos que sofreram recozimento visando a redução do limite de resistência e aumento de ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimento para alívio de tensões e estabilidade dimensional.
• H – endurecido por encruamento – Refere-se a produtos endurecidos por encruamento, podendo ou não apresentar tratamentos térmicos. O sufixo H é seguido por dois pi mais dígitos:
• H1- produtos conformados que apresentam encruamento e não sofreram nenhum tratamento suplementar.
• H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para um determinado valor de dureza. Os dígitos seguintes a H2 indicam a quantidade de encruamento residual após o produto ser parcialmente recozido.
• H3 – produtos encruados e envelhecidos naturalmente para um determinado valor de dureza.
• T – tratado termicamente – refere-se aos produtos que sofreram tratamentos térmicos visando aumento de resistência. O sufixo T é seguido por dois pi mais dígitos:
• T1 – produtos arrefecidos a partir da temperatura de certificação mecânica a quente e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis.
• T2 – produtos arrefecidos a partir da temperatura de certificação mecânica a quente, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis.
• T3 – produtos solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis.
• T4 – produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades mecânicas estáveis.
• T5 - produtos arrefecidos a partir da temperatura de certificação mecânica a quente e envelhecidos artificialmente.
• T6 – produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente.
• T7 - produtos solubilizados e superenvelhecidos ou estabilizados.
• T8 – produtos solubilizados, encruados e envelhecidos artificialmente.
• T9 – produtos solubilizados, envelhecidos artificialmente e encruados.
• T10 – produtos arrefecidos a partir da temperatura de certificação mecânica a quente, encruados e artificialmente.

Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos seguintes elementos:

• Cobre (Cu);
• Magnésio (Mg);
• Silício (Si);
• Manganês (Mn);
• Zinco (Zn);

De acordo com o produto, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos:

• LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) – ligas destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames) perfis extrudidos e componentes forjados.
• LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de componentes fundidos. somando-se as ligas conformadas e as ligas fundidas, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente.

Estes dois grupos subdividem-se em:

• LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecidas por meio de tratamento térmico
• LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de tratamentos térmicos.

É importante destacar que termo “tratamento térmico” é, no seu sentido mais lato, qualquer operação de aquecimento ou arrefecimento realizada para modificaras propriedades mecânicas, estrutura metalúrgica ou estado te tensões internas deum produto metálico. Nas ligas de alumínio, o tratamento térmico é restrito a operações específicas utilizadas para aumentar a resistência e dureza de ligas endurecíveis por precipitação (conformadas ou fundidas)

O processo de extrusão do alumínio é a transformação do bilete de alumínio num perfil com a forma desejada. Este processo pode-se resumir assim:

• Os biletes são aquecidos, variando a temperatura entre os 420 e os 500ºC, conforme: Tipo de matriz (sólida ou tubular)Comprimento do lingote. O alumínio é forçado, pelo êmbolo de um cilindro de uma prensa hidráulica, através de uma matriz (molde que confere ao alumínio a forma do perfil desejado); O perfil é esticado já na fase de arrefecimento e simultaneamente, todas as cotas são controladas e a superfície é submetida a um rigoroso teste de qualidade; O perfil é então cortado nas medidas desejadas;
• Por fim é conferida tempera ao perfil através de cozimento em fornos a cerca de 230ºC.

Tratamentos Térmicos de Solubilização e Envelhecimento das Ligasde Alumínio

Utilizaremos, como exemplo, o arrefecimento lento de uma liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al.

A solubilização tem como objectivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condição metaestável.

O envelhecimento -tem como objectivo a precipitação controlada da fase endure-cedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.

Nas ligas de alumínio tratáveis, o envelhecimento é realizado em temperaturas de até 280ºC (dentro do campo α + θ) por um intervalo de tempo precisamente determinado. A combinação temperatura e tempo de envelhecimento determinam as características da dispersão da fase θ. Para uma determinada temperatura existe um tempo “óptimo” em que a dispersão de precipitados é, na maior parte, coerente provocando o endurecimento máximo da liga.

Curvas de Envelhecimento- A figura abaixo apresenta o aspecto típico de curvas de envelhecimento. Note que quanto maior a temperatura de envelhecimento, o ponto de resistência máxima ocorre mais rápido, porém com um valor de resistência menor.

O superenvelhecimento- é caracterizado pela redução da resistência mecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os precipitados coerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistência mecânica.

O alumínio pode ser alvo de vários tratamentos e acabamentos não só para protecção do material mas também por motivos estéticos.

• Anodização:

É um processo que aumenta a resistência do alumínio, por exemplo às condições atmosféricas, criando uma  camada superficial de óxido de alumínio, através de um processo electroquímico. Este processo é assim chamado porque o alumínio, funciona como anôdo num banho electrolítico baseado numa solução de ácido sulfúrico ou ácido crómico como electrólito. Durante a electrólise liberta-se oxigénio no anôdo, combinando-se com metal que dá origem a película de óxido de alumínio referida anteriormente. Este tratamento pode apresentar várias espessuras (5 a 25 micrometros), aplicáveis conforme as condições atmosféricas a que vai ser submetido, e também várias cores. Por fim, os aspectos finais poderão ser 3:

• Despolido: aspecto raiado obtido através da passagem de uma escova de aço sobre a superfície a anodizar; Polido: aspecto brilhante e espelhado obtido através de um escovamento macio aplicado ao material;
• Acetinado: aspecto acetinado mate obtido através de uma operação química por emulsão.
• Lacagem:

Este acabamento divide-se em 3 fases:

• Preparação: a superfície do metal é banhada por produtos químicos que a limpam, desengorduram, e que nela depositam um elemento que lhe confere melhor aderência do pó; Pintura electrostáctica: uma resina de poliester em pó é espalhada pela superfície do alumínio numa fina camada;
• Polimerização: o alumínio, já com a fina camada de pó, passa por um forno à temperatura média de 180ºC e o pó, espalhado na fase de pintura, polimeriza dando origem a uma camada de aspecto uniforme.