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MATERIAIS MECNICOS B

Prof. Giovanni Rocha dos Santos

Histrico 1809: o Alumnio foi descoberto por Sir Humphrey

Davy; 1825: Oersted isolou o Al reagindo cloreto de

alumnio (AlCl3) com amlgama de potssio; 1886: foi desenvolvido o primeiro processo industrial 1886: foi desenvolvido o primeiro processo industrial

econmico para produo de alumnio: o processo Hall-Hroult, que utilizado atualmente. Processo eletroltico para reduzir a Alumina em Alumnio com grande consumo de energia eltrica.

O que o Alumnio um metal leve, macio,

resistente, condutor de eletricidade e calor, tem uma colorao cinza prateado (devido a fina camada de (devido a fina camada de proteo superficial natural), resiste muito bem corroso (oxidao) e possui baixo ponto de fuso (660C).

O que o Alumnio O alumnio pode ser

utilizado puro ou com outros metais formando ligas metlicas.

A sua principal desvantagem a elevada quantidade de energia necessria para reduzi-lo de xido de alumnio (bauxita) para o alumnio metlico primrio.

Alumnio Puro

Generalidades

Segundo metal mais utilizado pelo homem

o metal mais abundante da crosta terrestre

Seu processamento caro

Forma ligas com Mn, Cu, Si, Fe, Ni, Li e outros Forma ligas com Mn, Cu, Si, Fe, Ni, Li e outros elementos

Mais de 500 ligas registradas (de 47 a 700MPa)

Elevada resistncia a corroso deve-se a formao de um filme de Al2O3 muito aderente e no permevel

Densidade (peso especfico) de Alguns Metais

Temperatura de Fuso (C)

Ferro (Fe)Titnio (Ti)Cromo(Cr)

Tungstnio

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Estanho (Sn)Zinco (Zn)Magnsio

Alumnio (Al)Cobre (Cu)Niquel (Ni)

Ferro (Fe)

Temperatura de Fuso(C)

Caractersticas Fsico-Qumicas Riscos: No apresenta risco industrial; Toxidade: Na forma de p ou grnulos txico por

inalao ou ingesto. O alumnio apresenta uma propriedade acumulativa no corpo humano, que aps algum tempo torna-se nocivo, ocasionando aps algum tempo torna-se nocivo, ocasionando srias conseqncias no sistema biolgico dos seres vivos. O metal est associado doena de Alzheimer (doena mental):

Perda de memria; Confuso mental; Alterao de humor; Falha na linguagem; Desligamento da realidade.

Obteno do AlumnioMINERAO

Extrao da Bauxita, que contm de 35 a 55%

REFINO

Purificao para obteno da Alumina.

REDUAO

Obteno do alumnio por eletrlise.

contm de 35 a 55% de alumina.

Alumina.por eletrlise.

Principais Minerais BAUXITA(Al2O3.nH2O): 35% a 55% de alumina, de

aparncia fsica muito varivel (branca, cinza ou creme para baixa porcentagem de ferro; amarelo, marrom-claro, rosado ou vermelho-escuro para altas % de ferro). Suas vermelho-escuro para altas % de ferro). Suas jazidas encontram-se em regies tropicais.

CRIOLITA(Na3AlF6 ): s encontrado em jazidas na Groelndia, da sua pouca importncia no cenrio mundial.

Obteno do Alumnio MINERAO: A obteno do alumnio feita a partir da bauxita, um

minrio que pode ser encontrado em trs principais grupos climticos: o Mediterrneo, o Tropical e o Subtropical. A bauxita deve apresentar no mnimo 30% de alumina aproveitvel para que a produo de alumnio seja economicamente vivel. O processo da minerao da bauxita, que origina o alumnio, pode ser exemplificado da seguinte maneira: exemplificado da seguinte maneira: 1. Remoo planejada da vegetao e do solo orgnico;

2. Retirada das camadas superficiais do solo(argilas e lateritas);

3. Beneficiamento:3.1 Inicia-se na britagem, para reduo de tamanho;3.2 Lavagem do minrio com gua para reduzir (quando

necessrio) o teor de slica contida na parcela mais fina; 3.3 Secagem.

Obteno do Alumnio REFINARIA: A refinaria a fase do processo que transforma a bauxita em

alumina calcinada. O procedimento mais utilizado o Bayer. Esta primeira etapa at se chegar ao alumnio metlico. 1. Dissoluo da alumina em soda custica;

2. Filtrao da alumina para separar o material slido;

3. O filtrado concentrado para a cristalizao da alumina;

4. Os cristais so secados e calcinados para eliminar a gua; 4. Os cristais so secados e calcinados para eliminar a gua;

5. O p branco de alumina pura enviado reduo;

6. Na reduo, ocorre o processo conhecido como Hall-Hroult, por meio da eletrlise, para obteno do alumnio.

As principais fases da produo de alumina, desde a entrada do minrio at a sada do produto final so: moagem, digesto, filtrao/evaporao, precipitao e calcinao.

Obteno do Alumnio REDUO: Reduo o processo de transformao da alumina em

alumnio metlico. No processo de eletrlise, para obteno do alumnio, a alumina carregada de forma controlada, em um eletrlito fundido, formado por sais de criolita e fluoreto de alumnio. A passagem de corrente eltrica na clula eletroltica promove a reduo da alumina, decantando o alumnio metlico no fundo da clula e o oxignio liberado reage com o nodo de carbono, formando dixido de carbono.

1. A alumina dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de 1. A alumina dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumnio em baixa tenso, decompondo-se em oxignio;

2. O oxignio se combina com o nodo de carbono, desprendendo-se na forma de dixido de carbono, e em alumnio lquido, que se precipita no fundo da cuba eletroltica;

3. O metal lquido (j alumnio primrio) transferido para a refuso atravs de cadinhos;

4. So produzidos os lingotes, as placas e os tarugos (alumnio primrio).

Obteno do Alumnio

Obteno do Alumniocuba eletroltica

Obteno do Alumnio Em geral so gastos 4 kg de bauxita para produo de 2

kg de alumina e de 16 a 18 kWh de energia para cadakg de alumnio 99,5% puro obtido;

1kWh = consumo de um aparelho de 1kW de potncia durante umahora; Ex. : chuveiro eltrico = 7 kW;

Para fins especiais pode-se obter graus de pureza daordem de 99,99% e at 99,999% mediante refinaoeletroltica a alta temperatura (750C) em processodenominado de trs camadas em clulas com eletrlitode mistura fundida de flouretos e cloretos, nodo dealumnio bruto e ctodo de alumnio refinado, a um custode 20 kWh de eletricidade por kg de alumnio refinado.

Principais Ligas de Alumnio Ligas tratveis trmica ou mecanicamente:

ligas trabalhaveis termicamente. Propriedades mecnicas obtidas por tratamento trmico(precipitao):

Al-Cu Al-Zn-Mg Al-Si-Mg;

ligas trabalhaveis mecanicamente. Propriedades mecnicas obtidas por trabalho a frio (encruamento): por trabalho a frio (encruamento):

Al-Mg Al-Si

Ligas para fundio:- Al-Cu Al-Si Al-Si-Cu/Mg Al-Mg Al-Sn

Classificao das ligas de AlTrabalhveis mecanicamente

Classificao das ligas de AlFundidas

Caractersticas das Ligas de Alumnio - TrabalhaveisLigas

Tratveis Designao

AA Caractersticas Usos

Al > 99,0% 1XXX - Tratveis Termicamente - tima resistncia corroso - tima soldabilidade - tima conformabilidade

- Condutores eltricos - Revestimento em Alclads - Equipamentos qumicos e

alimentares - Embalagens - Refletores - Utenslios domsticos - Aeronutica sob a forma de Alclad

com liga 2024 com liga 2024 Al-Cu 2XXX - Tratveis Termicamente

- Boa resistncia mecnica (RT 40 a 50 kgf/mm2 T8)

- Baixa conformabilidade exceto recozidas ( = 20 a 22% rec.)

- Soldvel apenas por resistncia - Boa usinabilidade

- Peas usinadas ou forjadas sujeitas a esforos mdios, operando em ambiente no corrosivo

- Avies - Automveis - Estruturas - Relojoaria

Al-Mn 3XXX - Tratveis Termicamente - Boa dutilidade - Mdia resistncia mecnica (RT

11 a 20 kgf/mm2) - Excelente soldabilidade - Baixa usinabilidade

- Tubos soldados - Caldeiraria - Peas fabricadas por embutimento

Ligas Tratveis

Designao AA

Caractersticas Usos

Al-Si 4XXX - Tratveis por Encruamento - Baixo alongamento ( = 6% - T6) - Mdia soldabilidade - Boa resistncia mecnica (RT ~40

kgf/mm2 T6) - Baixa usinabilidade

- Peas forjadas (pouco usadas)

Al-Mg 5XXX - Tratveis por Encruamento - tima resistncia corroso

salina - Boa soldabilidade - Baixa usinabilidade

- Formas arquitetnicas e estruturais - Equipamentos qumicos,

alimentares, txteis e de minerao

- Depsitos sob presso de gs liquefeito

- Navios - Ferragens

Al-Mg-Si 6XXX - Tratveis Termicamente - Fcil fabricao

- Formas aeronuticas - Formas estruturais

- Boa resistncia mecnica (RT ~32 kgf/mm2 T6)

- Excelente conformabilidade ( = 25 a 30% rec.)

- Boa resistncia corroso

- Embalagens - Equipamentos qumicos,

alimentares - Indstria eltrica

Al-Zn-Mg 7XXX - Tratveis Termicamente - Difcil produo (alto custo) - Excelente resistncia mecnica

(RT ~58 kgf/mm2 T6) - Boa conformabilidade ( = 17%

rec.) - Alta soldabilidade - Melhor limite de fadiga (16

kgf/mm2) - Boa usinabilidade - Boa resistncia a ambiente

industrial menos os salinos

- Automveis - Equipamentos txteis e de

minerao - Componentes de alta resistncia - Avies (concorre com aos de alta

resistncia devido ao baixo peso) - Industria blica

Ligas Tratveis

Designao AA

Caractersticas Usos

Al- outros 8XXX - Tratveis Termicamente

Influncia dos elementos de liga

Elemento de liga

Percentagem Tpica

Vantagem Desvantagem

Cu 3 a 11% - confere alta resistncia mecnica - facilita trabalho de usinagem

- diminui resistncia corroso salina

- fragilidade a quente Si 12 a 13% - aumenta fluidez na fundio

- reduz coeficiente de dilatao - melhora a soldabilidade

- diminui usinabilidade

- melhora a soldabilidade Mg > 8% - confere alta soldabilidade

- aumenta resistncia a corroso em meio salino

- possibilita tratamento trmico de ligas de Al-Si (melhora das caractersticas mecnicas)

- dificulta fundio devido a oxidao (borra) e absoro de impurezas (Fe e outros)

Zn 0,05 a 2,2% - sempre associado ao Mg - confere alta resistncia mecnica - ligas auto temperantes - aumenta dutilidade

- diminui resistncia corroso salina

- fragilidade a quente - alta contrao em fundio

Mn 0,5 a 10,7% - como corretor - aumenta resistncia mecnica a

quente

- pequena diminuio da dutilidade

Ligas para fundio

Designao AA

Caractersticas Usos

Al > 99,0% 1XX.X - Tratveis Termicamente - tima resistncia corroso - tima soldabilidade - tima conformabilidade

- Utenslios domsticos - Acessrios p/ ind. Qumica - Rotores p/ motores de induo - Ferragens eltricas

Al-Cu 2XX.X - Tratveis Termicamente - Boa resistncia mecnica (RT ~36

- Peas fundidas e/ou usinadas sujeitas a esforos, operando em

Caractersticas das Ligas de Alumnio Para Fundio

- Boa resistncia mecnica (RT ~36 kgf/mm2 T6)

- Baixa conformabilidade( = 4%) - Boa resistncia corroso

- Automveis - Navios - Carcaas de ventiladores e bombas - Peas fundidas em geral sujeitas a

solicitaes de carga

Ligas para fundio

Designao AA

Caractersticas Usos

Al-Si 4XX.X - Tratveis por Encruamento - Baixo alongamento ( = 8% -

Fundido) - Excelente soldabilidade - Excelente fluidez na fundio - Baixa usinabilidade - Boa resistncia corroso

- Peas fundidas de paredes finas e intrincadas

- Peas anodizadas p/ arquitetura - Utenslios domsticos - Peas p/ aparelhos industriais

Caractersticas das Ligas de Alumnio Para Fundio

- Boa resistncia corroso Al-Mg 5XX.X - No tratvel termicamente, exceto

a AA 520.2 (9,5%Mg) - Melhores combinaes de

usinabilidade, propriedades mecnicas (RT 34 kgf/mm2 T4 FSP), resistncia a corroso e acabamento

- Baixa soldabilidade - Baixa fluidez na fundio

- Peas fundidas que exigem a mxima resistncia corroso

- Navios - Peas ornamentais e anodizadas

Al-Sn e outros

8XX..X - Tratveis Termicamente - Excelente resistncia corroso a

leos lubrificantes - Boa resistncia fadiga (7

kgf/mm2)

- Mancais e buchas em eixos de caminhes e laminadores

Tratamentos Trmicos Aplicados a Ligas de Al

WWW.metalmundi.com

So processos bsicos de aquecimento e/ou resfriamento controlados do metal, com o resfriamento controlados do metal, com o principal objetivo de gerar benefcios e melhorar as caractersticas metal-mecnicas das peas produzidas em alumnio.


Alvio de tenses

Recozimento para recristalizao e Recozimento para recristalizao e homogeneizao

Solubilizao e Tmpera

Precipitao ou envelhecimento

Tratamentos Trmicoswww.metalmundi.com

Solubilizao:

O processo trmico de solubilizao o aquecimento do metal alumnio (pea, barra, tarugo, placa, etc.) a uma temperatura muito elevada, mas ainda inferior a temperatura de fuso da liga com o objetivo de colocar em soluo slida a maior liga com o objetivo de colocar em soluo slida a maior quantidade possvel de tomos de soluto(elementos de liga).

Logo aps a solubilizao o material deve ser temperado, ou seja, resfriado rapidamente com o objetivo de manter estvel a temperatura ambinte a soluo slida super-saturada. O meio usualmente utilizado para temperar (resfriar) o material a gua


Envelhecimento:

Logo aps a solubilizao e o resfriamento rpido (tmpera), inicia-se o processo de envelhecimento, que pode ser:envelhecimento, que pode ser:

natural : a temperatura ambiente e sem a influncia de fornos;

artificial : a uma temperatura mais elevada, controlada e com a utilizao de fornos;


Solubilizao

TmperaTmpera

Envelhecimento


Este tipo de tratamento proporciona uma correta difuso dos tomos de soluto e a formao de finos precipitados endurecedores na base metlica. Estes precipitados devem ter o tamanho e a quantidade suficiente para dificultar a movimentao das discordncias e por consequncia movimentao das discordncias e por consequncia endurecer a liga.

Exemplo: A temperatura para o envelhecimento da liga de alumnio ABNT 6063 de

175 Celsius e o tempo em temperatura, pode chegar a 8 horas. A liga ABNT 6063 possui o elemento de liga Magnsio (0,45% - 0,90%) e o elemento de liga Silcio(0,20% - 0,60%), estes dois formam o precipitado Mg2Si, um tipo de precipitado bastante duro.

Tratamentos TrmicosRESUMO:Solubilizao/Envelhecimento: precipitao expontnea (ou

induzida) de fase composta pelo agente de endurecimento,enrijecendo a liga por obstruo do movimento de discordnciasque facilitam a deformao plstica, sem alterar o alongamento. aquecimento do material entre a linha solvus e a linha liquidus para aquecimento do material entre a linha solvus e a linha liquidus para

realizar a solubilizao esfriamento em gua gelada para temperar produzindo soluo slida

supersaturada instvel temperatura ambiente precipitao ocorre aps a tmpera com o passar do tempo

naturalmente (envelhecimento natural) ou acelerada por aquecimentomoderado para certas ligas (revenido ou envelhecimento artificial)..


Tomaremos como base uma liga de Al-Cu contendo 4,5% de Cu

Solubilizao + Resfriamento Lento


Solubilizao + Resfriamento Rpido


Solubilizao + Resfriamento Rpido + Envelhecimento

Curvas de Envelhecimento

Curvas de envelhecimento obtidas para corpos de prova de uma liga de alumnio 2014 solubilizada previamente a 540C.

Superenvelhecimento

O superenvelhecimento caracterizado pela reduo da resistncia mecnica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento superior ao ponto de envelhecimento superior ao ponto de resistncia mxima, os precipitados coerentes de fase aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistncia mecnica.

Tratamentos TrmicosSimbologia

Smbolo Tratamento T1 Esfriamento de temperatura elevada de processo de

conformao, seguida de envelhecimento natural T2 Recozido (somente para ligas de fundio) T3 Tratamento trmico de solubilizao e posterior

encruamento a frio T4 Tratamento trmico de solubilizao e posterior

envelhecimento natural T5 Envelhecimento artificial (nenhum tratamento trmico

prvio, exceto esfriamento do estado de prvio, exceto esfriamento do estado de fabricao)

T6 Tratamento trmico de solubilizao e posterior envelhecimento artificial

T7 Tratamento trmico de solubilizao e posterior estabilizao

T8 Tratamento trmico de solubilizao e posterior encruamento a frio e envelhecimento artificial

T9 Tratamento trmico de solubilizao e posterior envelhecimento artificial e encruamento a frio

T10 Envelhecimento artificial (sem tratamento de solubilizao) e encruamento a frio

O Recozido (recristalizado) F Como fabricado (sem tratamento) H, H12-19 Encruado a frio (duro, duro, etc) H22, H24 Encruado a frio e recozido parcialmente H32, H34 Encruado a frio e estabilizado


Designao das Tmperas: Conforme a Norma Tcnica ABNT NBR 6835/1981.

Tipo F - Como fabricado: Esta designao aplica-se aos produtos que sofreram conformao mecnica (como por exemplo, Laminao, Forjamento, Extruso), onde no houve exemplo, Laminao, Forjamento, Extruso), onde no houve nenhum tipo de controle das caratersticas trmicas e de encruamento. Ou seja, como o processo produtivo liberar as peas, as mesmas seguem adiante sem alteraes, pois no possuem especificaes para controle dos limites mnimos e mximos de propriedades mecnicas.

Tipo O Recozido: Esta designao aplica-se aos produtos que devem apresentar os menores valores de resistncia mecnica.


Tipo H Encruado: Aplica-se aos produtos nos quais a resistncia mecnica aumentou devido a deformao plstica a frio sofrida no processo produtivo. O processo de laminao um exemplo de onde ocorre encruamento. Desejando pode-se realizar o recozimento do material para torn-lo se realizar o recozimento do material para torn-lo novamente trabalhvel ou para estabilizar as caractersticas mecnicas do mesmo. O H seguido de dois ou trs nmeros (dgitos):


Primeiro nmero:

H 1 - apenas encruado. Peas com deformao plstica a frio, sem recozimento complementar. O segundo nmero indica o grau de encruamento.

H 2 - deformado plasticamente a frio e parcialmente recozido. O segundo nmero indica o grau de encruamento aps recozimento.

H 3 - deformado plasticamente a frio e estabilizado. O segundo nmero indica H 3 - deformado plasticamente a frio e estabilizado. O segundo nmero indica o grau de encruamento antes da estabilizao.

Segundo nmero: Indica o grau de encruamento em ordem crescente, sendo:

Grau 1 - 1/8 duro (12,5%)

Grau 2 - 1/4 duro (25,0%)

Grau 4 - 1/2 duro (50,0%)

Grau 6 - 3/4 duro (75,0%)

Grau 8 - duro (100,0%)

Grau 9 - extra duro


Tipo W Solubilizado: Aplica-se em ligas de alumnio que tem a propriedade de envelhecer naturalmente em temperatura ambiente, alterando as caractersticas mecnicas das peas produzidas. Normalmente esta alterao das caratersticas mecnica dificulta o processo metal-mecnico ou trmico mecnica dificulta o processo metal-mecnico ou trmico posterior. Um exemplo das ligas de alumnio que possuem esta caracterstica de envelhecimento natural, so as ligas do grupo 2XXX (Alumnio-Cobre), tais como 2014 e 2011, por exemplo.


Tipo T - Tratadas Termicamente: Aplica-se as peas que sofreram algum tipo de tratamento trmico, no intuito de estabilizar o material e que no se enquadram nas designaes anteriores, sendo: T1 - Resfriado bruscamente aps conformao a uma temperatura T1 - Resfriado bruscamente aps conformao a uma temperatura

elevada e envelhecida naturalmente at uma condio estvel.

T2 - Resfriado bruscamente aps conformao a uma temperatura elevada, encruado e envelhecido naturalmente at uma condio estvel.

T3 - Solubilizado, encruado e envelhecido naturalmente at uma condio estvel.

T4 - Solubilizado e envelhecido naturalmente at uma condio estvel.


T5 - Resfriado aps conformao a uma temperatura elevada e depois envelhecido artificialmente.

T6 - Solubilizado e depois envelhecido artificialmente.

T7 - Solubilizado e sobre envelhecido.

T8 - Solubilizado, encruado e depois envelhecido artificialmente.

T9 - Solubilizado, envelhecido artificialmente e depois encruado. T9 - Solubilizado, envelhecido artificialmente e depois encruado.

T10- Resfriado bruscamente aps conformao a uma temperatura elevada, encruado e depois envelhecido artificialmente.

Tratamentos TrmicosExemplo de fluxo de TT

Tratamentos TrmicosLigas Al-Si

Diagrama de fase Al-Si

Ligas comuns entre 8 e 14% Si

Aumento de Si- aumento de dureza, resistncia mecnica dureza, resistncia mecnica e desgaste

Reduz o ponto de fuso de 661 a 577C

Melhora a fundibilidade mais fcil de fundir

Tratamentos TrmicosLigas Al-Si

Tratamentos TrmicosLigas Al-Cu

Solubilidade do cobre vai de quase 0 at 5,65% em 548C

Torna a lida tratvel Torna a lida tratvel termicamente

Em 33,2% h um euttico CuAl2 -lamelar

Processamento Industrial- Laminao a quente ou a frio (chapas e folhas)- Trefilao (fios)- Extruso a quente ou a frio (perfis, barras,

tubos sem costura)- Forjamento a quente ou a frio- Metalurgia do p (peas delicadas de- Metalurgia do p (peas delicadas de

pequenas dimenses)- Estampagem (estruturas de carrocerias)- Embutimento (utenslios domsticos)- Fudio em coquilha- Fundio sob presso- Como metal de adio em brasagem

Processamento IndustrialLaminao

Acabamento e Proteo Superficial O Al sofre pouca corroso quando exposto ao ar, devido ao xido (Al2O3)

que se forma espontaneamente na superfcie.

A adio de elementos de liga geralmente retarda a formao do xido, no melhorando a resistncia corroso.

Acabamento e Proteo Superficial A resistncia corroso do alumnio e suas ligas depende da

manuteno de uma fina camada (filme) de xido convm provocar o surgimento desta camada de forma artificial

para produo de filmes mais espessos dentro de condiescontroladas em lugar de depender do seu surgimento natural.

Processo comea com uma limpeza da superfcie por meios Processo comea com uma limpeza da superfcie por meiosmecnicos para o emparelhamento da superfcie (esmerilhamento,oleamento, lustramento e colorimento) e para a retirada de graxas,leo sujeira, escamas de tratamentos trmicos e agentes qumicos(desengraxamento, limpeza alcalina com agente inibidor, limpezacida e limpeza eletroltica);

Acabamento e Proteo Superficial Segue-se a formao da camada de xido por processo de

anodizao, onde a pea colocada como nodo em eletrlito de baixo pH promovendo o reforo da camada de xido, completando-se com a selagem (fechamento dos poros da camada de xido) feita em gua fervente ou solues de sais entre 90-100C por 15 a 60 minutosentre 90-100C por 15 a 60 minutos

Reciclagem de Al

A produo de uma tonelada de alumnio da bauxita requer cerca de 17000 kwh de energia eltrica, enquanto que a mesma quantidade reciclada de alumnio consome apenas 750kwh. Desta forma h uma economia de aproximadamente 95% de energia uma economia de aproximadamente 95% de energia eltrica.

Reciclagem de AlSucata Recuperada x Consumo domstico (2009)

Reciclagem de Alndice de reciclagem de latas de Alumnio

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