Download - alumínio (diagrama de fases - nomenclaturas)

ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

Rubens A. BignettiMateriais de Construção da Eng. Química

7 de Junho de 2000

O que é o Alumínio

• É um metal branco acinzentado• leve• não tóxico (no estado não

particulado)• 3° elemento em abundância na

litosfera• encontrado na natureza apenas

na forma combinada• muito reativo

Características Físico-Químicas

• Símbolo Químico: Al• Número Atômico: 5• Peso Atômico: 26,98153• Grupo da Tabela: 13• Configuração Eletrônica:

[Ne].3s2.3p1• Classificação: Metal• Estado Físico (T=298K):

Sólido• Densidade: 2,702 g/cm3

• Ponto de Fusão: 933,7 K

• Ponto de Ebulição: 2792,0 K• Condutividade Térmica:

235,0 W/m.K• Resistividade Elétrica:

2,65 .10-8.Ohm.m• número de oxidação: +3

(excepcionalmente +1)

• Anfótero (reage c/ ácidos e bases)

• Al + ácido --> Al+3 + H2

• Al + base --> Al(OH)4 + H2


• Energias de Ionização• 1ª 577,5 kJ/mol

• 2ª 1816,5 kJ/mol

• 3ª 2744,8 kJ/mol

• 4a 11577,0 kJ/mol

• 5ª 14842,0 kJ/mol

• 6ª 18379,0 kJ/mol

• 7ª 23326,0 kJ/mol

• Calor Específico: 0,9 J/g.K• Eletronegatividade

(Pauling): 1,61

• Raio Neutro (pm): • Raio Atômico Empírico: 125,0• Raio Atômico Calculado: 118,0• Raio Covalente: 118,0• Raio van der Waals: não

tem• Raio Iônico Íon Al (I): 50,0 pm


• Potencial Padrão de Redução (E°, eV):

+1 0

Solução ácida Al3+ -1,676 Al

Solução básica Al(OH)3 - 2,300 Al

Al(OH)4- - 2,310 Al


• Riscos: Não apresenta risco industrial• Toxidade: Na forma de pó ou grânulos é tóxico por

inalação ou ingestão. O alumínio apresenta uma propriedade acumulativa no corpo humano, que após algum tempo torna-se nocivo, ocasionando sérias conseqüências no sistema biológico dos seres vivos. O metal está associado à doença de Alzheimer (doença mental).


• Isótopos:

• Al23 não encontrado na natureza meia vida = 0,13 s



• Al26 não encontrado na natureza meia vida = 7,4.105 anos

• Al27 100% na natureza estável

• Al28 não encontrado na natureza meia vida = 2,3 horas

• Al29 não encontrado na natureza meia vida = 6,6 min


Estrutura Cristalina: CFC

Origem do nome

• do latin "alumen" meaning "alum"

• Traduções:– Alemão: aluminium– Inglês: aluminium– Espanhol: aluminio– Francês: aluminium– Italiano: alluminio

Histórico• Gregos e Romanos: medicina - alumina (Al2O3)

encontrada em minérios; • 1787 - Lavoisier : suspeitou que esta substância era um

óxido de um metal desconhecido;• 1807 - Davy: propõe nome “Alumium”,

posteriormente trocado para “Aluminium” (alumínio);

• 1821 - Berthier (Les Baux, sul da França): bauxita identificada pela primeira vez

• 1825 - Oersted: isolado Al reagindo cloreto de alumínio (AlCl3) com amálgama de potássio;

Histórico

• 1854 - Sainte-Claire Deville: obtenção industrial do alumínio por via química;

• 1925 - Heroult (Normandia - França) e Hall (Ohio-Estados Unidos): processo eletrolítico

Principais Minerais

• bauxita Al2O3.nH2O: 48% a 64% de alumina, de aparência física é muito variável

(branca, cinza ou creme para baixa porcentagem de ferro; amarelo, marrom-claro, rosado ou vermelho- escuro para altas percentagens de ferro).

• criolita Na3AlF6 :só encontrado em jazida na Groelândia, daí sua pouca importância no

cenário mundial.

Outros Minerais

• óxidos, fluoretos e silicatos de constituição complexa. O óxido de alumínio

(coridon) apresenta-se de duas formas:

– córidon límpido colorido (rubís e safiras) e

– córidon impuro (esmeril) contendo ferro como principal impureza.

Obtenção do Alumínio

• Fase química: extração do óxido (Al2O3) que contém o metal;

• Fase eletrolítica: eletrólise da alumina dissolvida em um sal

fundido.

Fase química• Método Bayer

– moagem do minério;– calcinação a 900°C;– Moagem fina;– autoclavar minério calcinado com soda cáustica a

180°C e 12-15 atm;– “germinação” (decomposição em presença de

hidróxido de alumínio) do aluminato de sódio obtido nas autoclaves, [ NaAl(OH)4 ------> Al(OH)2 + NaOH ];

– calcinação do hidróxido de alumínio separado a 1200°C obtendo a alumina c/ 99,5% de pureza

[ 2Al(OH)2 ---> Al2O3 + 3H2O ]

– 2 kg de bauxita+ 2 kg de combustível e 2 kWh de eletricidade gastos por kg de Al2O3 obtido

Mina

Decantadores(Aluminato)

FiltrosVerticais

FiltrosVerticais(detalhe)

FiltroRotativo

(Hidróxido de Al)

Fase eletrolítica Cuba eletrolítica

• recipiente de ferro revestido por carvão nas laterais e parte inferior, funcionando como cátodo

• o ânodo é formado por eletrodo tipo Söderberg: camisa metálica na qual vai sendo despejada continuamente do alto uma pasta de carvão e piche durante a eletrólise

• decomposição se processa de forma contínua adicionando-se alumina periodicamente ao banho, mantendo-a em uma concentração superior a 2,5% para evitar decomposição da criolita (eletrólito) liberando gases ricos em flúor, interrompendo o processo (fenômeno anódico)

• gases provenientes das cubas (CO, CO2, flúor e outros) são passados por uma coluna de absorção contendo solução aquosa de carbonato de sódio para retirar o flúor, altamente tóxico.

Cuba eletrolítica

• Em geral são gastos 2 kg de alumina e de 16 a 18 kWh de energia para cada kg de alumínio 99,5% puro obtido;

• Para fins especiais pode-se obter graus de pureza da ordem de 99,99% e até 99,999% mediante refinação eletrolítica a alta temperatura (750°C) em processo denominado de “três camadas” em células com eletrólito de mistura fundida de flouretos e cloretos, ânodo de alumínio bruto e cátodo de alumínio refinado, a um custo de 20 kWh de eletricidade por kg de alumínio refinado.

Cuba eletrolítica

Cuba

Criolita

Aldepositadono cátodo

Aspiração Cuba de refino

Fase eletrolítica

• dissolução da alumina a 5% em criolita fundida a 930°C;

• eletrólise em cuba eletrolítica durante 24-28 horas a 100.000 A e 5-6 V;

• limpeza de escórias e adição de ligantes em forno contínuo;

Principais Ligas de Alumínio• a) Ligas tratáveis térmica ou mecanicamente:

– ligas tratáveis termicamente: – Al-Cu– Al-Zn-Mg– Al-Si-Mg;

– ligas endurecidas por trabalho a frio (encruáveis): – Al-Mg

– Al-Si

• b) Ligas para fundição– Al-Cu

– Al-Si

– Al-Si-Cu/Mg

– Al-Mg

– Al-Sn

Influência dos elementos de ligaElemento de

ligaPercentagem

TípicaVantagem Desvantagem

Cu 3 a 11% - confere alta resistência mecânica- facilita trabalho de usinagem

- diminui resistênciaà corrosãosalina

- fragilidade a quenteSi 12 a 13% - aumenta fluidez na fundição

- reduz coeficiente de dilatação- melhora a soldabilidade

- diminui usinabilidade

Mg > 8% - confere alta soldabilidade- aumenta resistência a corrosão em

meio salino- possibilita tratamento térmico de

ligas de Al-Si (melhora dascaracterísticas mecânicas)

- dificulta fundição devido aoxidação (borra) e absorçãode impurezas (Fe e outros)

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

- diminui resistênciaà corrosãosalina

- fragilidade a quente- alta contração em fundição

Mn 0,5 a 10,7% - como corretor- aumenta resistência mecânica a

quente

- pequena diminuição dadutilidade

Características das Ligas de AlumínioLigas

TratáveisDesignação

AACaracterísticas Usos

Al > 99,0% 1XXX - Tratáveis Termicamente- Ótima resistência à corrosão- Ótima soldabilidade- Ótima conformabilidade

- Condutores elétricos- Revestimento em Alclads- Equipamentos químicos e

alimentares- Embalagens- Refletores- Utensílios domésticos- Aeronáutica sob a forma de Alclad

com liga 2024Al-Cu 2XXX - Tratáveis Termicamente

- Boa resistência mecânica (RT 40 a50 kgf/mm2 – T8)

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

- Soldável apenas por resistência- Boa usinabilidade

- Peças usinadas ou forjadas sujeitasa esforços médios, operando emambiente não corrosivo

- Aviões- Automóveis- Estruturas- Relojoaria

Al-Mn 3XXX - Tratáveis Termicamente- Boa dutilidade- Média resistência mecânica (RT

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

- Tubos soldados- Caldeiraria- Peças fabricadas por embutimento

LigasTratáveis

DesignaçãoAA

Características Usos

Al-Si 4XXX - Tratáveis por Encruamento- Baixo alongamento ( = 6% - T6)- Média soldabilidade- Boa resistência mecânica (RT ~40

kgf/mm2 T6)- Baixa usinabilidade

- Peças forjadas (pouco usadas)

Al-Mg 5XXX - Tratáveis por Encruamento- Ótima resistência à corrosão

salina- Boa soldabilidade- Baixa usinabilidade

- Formas arquitetônicas e estruturais- Equipamentos químicos,

alimentares, têxteis e demineração

- Depósitos sob pressâo de gásliquefeito

- Navios- Ferragens

Al-Mg-Si 6XXX - Tratáveis Termicamente- Fácil fabricação- Boa resistência mecânica (RT ~32

kgf/mm2 – T6)- Excelente conformabilidade ( = 25

a 30% rec.)- Boa resistência à corrosão

- Formas aeronáuticas- Formas estruturais- Embalagens- Equipamentos químicos,

alimentares- Indústria elétrica

Al-Zn-Mg 7XXX - Tratáveis Termicamente- Difícil produção (alto custo)- Excelente resistência mecânica

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

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

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

industrial menos os salinos

- Automóveis- Equipamentos têxteis e de

mineração- Componentes de alta resistência- Aviões (concorre com aços de alta

resistência devido ao baixo peso)- Industria bélica

LigasTratáveis

DesignaçãoAA


Al- outros 8XXX - Tratáveis Termicamente

Ligas parafundição

DesignaçãoAA


Al > 99,0% 1XX.X - Tratáveis Termicamente- Ótima resistência à corrosão- Ótima soldabilidade- Ótima conformabilidade

- Utensílios domésticos- Acessórios p/ ind. Química- Rotores p/ motores de indução- Ferragens elétricas

Al-Cu 2XX.X - Tratáveis Termicamente- Boa resistência mecânica (RT ~36

kgf/mm2 – T6)- Baixa conformabilidade( = <1%)- Baixa resistência à corrosão- Boa usinabilidade- Fragilidade a quente

- Peças fundidas e/ou usinadassujeitas a esforços, operando emambiente não corrosivo

Al-Si-Cu/Mg 3XX.X - Tratáveis Termicamente- Fácil fabricação inclusive fundição

sob pressão (FSP)- Boa resistência mecânica (RT ~32

kgf/mm2 – T6 –FSP)- Baixa conformabilidade ( = >4%)- Boa resistência à corrosão

- Automóveis- Navios- Carcaças de ventiladores e bombas- Peças fundidas em geral sujeitas a

solicitações de carga

Ligas parafundição

DesignaçãoAA


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

Fundido)- Excelente soldabilidade- Excelente fluidez na fundição- Baixa usinabilidade- Boa resistência à corrosão

- Peças fundidas de paredes finas eintrincadas

- Peças anodizadas p/ arquitetura- Utensílios domésticos- Peças p/ aparelhos industriais

Al-Mg 5XX.X - Não tratável termicamente, excetoa AA 520.2 (9,5%Mg)

- Melhores combinações deusinabilidade, propriedadesmecânicas (RT 34 kgf/mm2 – T4FSP), resistência a corrosão eacabamento

- Baixa soldabilidade- Baixa fluidez na fundição

- Peças fundidas que exigem amáxima resistência à corrosão

- Navios- Peças ornamentais e anodizadas

Al-Sn eoutros

8XX..X - Tratáveis Termicamente- Excelente resistência à corrosão a

óleos lubrificantes- Boa resistência à fadiga (7

kgf/mm2)

- Mancais e buchas em eixos decaminhões e laminadores

Diagramas de Fase

Resistência à Corrosão• Extremo anódico (corroído) Mg• Ligas de Mg• Zn• Ligas Al 7072, Alclad 7071, Alclad 7073, Alclad 3003• Ligas Al 6XXX• Ligas Al 1XXX, Al 3XXX, Al 5XXX, Alclad 2XXX• Cd• Liga Al 7075• Ligas Al 2XXX• Aço macio, ferro fundido• Soldas Pb-Sn• Pb• Sn• Latões• Cu• Bronzes• Monel, inconel• Ni• Extremo catódico (protegido) Aço inox (ativo)• Ti

Resistência à Corrosão

• Inibidores: quando alumínio ou suas ligas são usados em equipamentos químicos onde circulam líquidos de certa agressividade, a corrosão pode ser bastante atenuada pela adição de agentes inibidores (geralmente entre 50 a 2000 ppm).

• Os agentes mais agressivos em relação ao alumínio ou suas ligas estão relacionados ao lado:

Acetato de Pb Cloreto de metilaÁcido brômico Cloreto de nitrosilaÁcido clorídrico ClÁcido fluorídrico Sais deCuÁcido fluorsilícico Xarope de Coca ColaÁcido fórmico Compostos de CoÁcido fosfórico Fosfato de Na tribásicoÁcido perclórico FosgênioÁcidosulfúrico Hidróxido de NaÁgua régia Hipoclorito de NaAguardentes Hipoclorito de IArseniato de Pb Hipoclorito de HgBrometo de etila Sais de HgCarbonato de K Sais de NiCianeto de K PicklesCloreto de acetila Compostos de AgCloreto de Ca Sulfato férricoCloreto de Fe

Tratamentos Térmicos

• Envelhecimento: precipitação expontânea (ou induzida) de fase composta pelo agente de endurecimento, enrijecendo a liga por obstrução de discordâncias que facilitam a deformação plástica, sem alterar o alongamento. – aquecimento do material entre a linha solvus e a linha liquidus para

realizar a solubilização

– esfriamento em água gelada para temperar produzindo solução sólida supersaturada instável à temperatura ambiente

– precipitação ocorre após a têmpera com o passar do tempo naturalmente (envelhecimento natural) ou acelerada por aquecimento moderado para certas ligas (revenido ou envelhecimento artificial).

Tratamentos Térmicos

• Estabilização: tratamento usual para ligas encruáveis– aquecimento a cerca de 150°C por algumas horas para obtenção de

material estável e dúctil, pois certas ligas apresentam ligeira variação dimensional e amolecimento com o passar do tempo.

• Recozimento: é o tratamento que confere ao material a maleabilidade máxima, aplicável a ambas as classes de material tratável– consiste no aquecimento a uma temperatura a qual os grãos quebrados

pelo encruamento são recristalizados, resultando em uma condição de liga esfriada lentamente, pois ocorre precipitação gradual de constituintes.

• Modificação: aplicado apenas para ligas Al-Si de fundição– consiste no tratamento do metal líquido com sódio, produzindo fina

dispersão das partículas de Si, aumentando drasticamente a ductilidade e a resistência mecânica.

Tratamentos Térmicos• Seqüências Usuais

Símbolo TratamentoT1 Esfriamento de temperatura elevada de processo de

conformação, seguida de envelhecimento naturalT2 Recozido (somente para ligas de fundição)T3 Tratamento térmico de solubilização e posterior

encruamento a frioT4 Tratamento térmico de solubilização e posterior

envelhecimento naturalT5 Envelhecimento artificial (nenhum tratamento térmico

prévio, exceto esfriamento do estado defabricação)

T6 Tratamento térmico de solubilização e posteriorenvelhecimento artificial

T7 Tratamento térmico de solubilização e posteriorestabilização

T8 Tratamento térmico de solubilização e posteriorencruamento a frio e envelhecimento artificial

T9 Tratamento térmico de solubilização e posteriorenvelhecimento artificial e encruamento a frio

T10 Envelhecimento artificial (sem tratamento desolubilização) e encruamento a frio

O Recozido (recristalizado)F Como fabricado (sem tratamento)H, H12-19 Encruado a frio (duro, ½ duro, etc)H22, H24 Encruado a frio e recozido parcialmenteH32, H34 Encruado a frio e estabilizado

Processamento Industrial

- Laminação a quente ou a frio (chapas e folhas)- Trefilação (fios)- Extrusão a quente ou a frio (perfis, barras,

tubos sem costura)- Forjamento a quente ou a frio- Metalurgia do pó (peças delicadas de

pequenas dimensões)- Estampagem (estruturas de carrocerias)- Embutimento (utensílios domésticos)- Fudição em coquilha- Fundição sob pressão- Como metal de adição em solda por brasagem

Outras Aplicações Industriais

• Para o alumínio elementar- condutores aéreos de eletricidade, devido a sua

melhor relação condutibilidade/peso que o Cu;- na redução de óxidos de metais (Mg, Cr) devido

a sua afinidade com o oxigênio quando finamente divido, reduzindo-os ao seu estado elementar (Reação de Goldschmidt – Aluminotermia);

- misturado a óxido de Fe e areia silicosa (termite), com ignição por combustão de fita de magnésio, em operações de soldagem;

- nas estruturas internas de reatores nucleares por absorver pouco os neutrons;

- nos espelhos refletores de telescópios;

Outras Aplicações Industriais

• Para a alumina- como desidratante e catalisador de muitas reações;- material de preenchimento em colunas

cromatográficas;- abrasivo na industria mecânica e óptica;- lentes transparentes à radiação UV e IR;- produção de gemas industriais sintéticas (rubís e

safiras) p/ relojoaria- fabricação de tijolos refratário (95% de alumina);

• Para os sais de alumínio:

- Al2(SO4)3 misturado com sulfato de K hidratado (alúmen), usado como mordente em tinturaria (fixador de corantes em fibras têxteis).

Acabamento e Proteção Superficial

• A resistência à corrosão do alumínio e suas ligas depende da manutenção de uma fina camada (filme) de óxido

• convém provocar o surgimento desta camada de forma artificial para produção de filmes mais espessos dentro de condições controladas em lugar de depender do seu surgimento natural.

• Processo começa com uma limpeza da superfície por meios mecânicos para o emparelhamento da superfície (esmerilhamento, oleamento, lustramento e colorimento) e para a retirada de graxas, óleo sujeira, escamas de tratamentos térmicos e agentes químicos (desengraxamento, limpeza alcalina com agente inibidor, limpeza ácida e limpeza eletrolítica);

Acabamento e Proteção Superficial

• Segue-se a formação da camada de óxido por processo de anodização, onde a peça é colocada como ânodo em eletrólito de baixo pH promovendo o reforço da camada de óxido, completando-se com a selagem (fechamento dos poros da camada de óxido) feita em água fervente ou soluções de sais entre 90-100°C por 15 a 60 minutos

Indústria no Brasil

• 3º em reservas mundiais (17%) depois de Austrália e África Equatorial (PA, MG e RJ)

• 6º em Produção

Mercado Interno (2.490.600 t alumina 704.100 t manufaturados)

Mercado Interno por Tipo de Produtos (1998)

Chapas e lâminas29%

Laminação Pura25%

Laminação Artefatos3%

Laminação Impactados1%

Folhas5%

Extrudados14%

Fios e cabos condutores 9%

Fundidos e forjados8%

Pó 2%

Usos destrutivos3%

Outros1%

Mercado Interno por Setor (1998)

Construção civil17%

Transportes18%

Indústria de eletricidade16%

Bens de consumo8%

Embalagens26%

Máquinas e equipamentos 4%

Outros11%

Mercado Interno

Mercado Externo

• Exportações (1999)– Alumínio e ligas 788.600 t– Sucatas 13.400 t– Manufaturados 107.600 t

– Total 909.600 t

Reciclagem no Brasil

Referências Bibliográficas• GOMES, Mário Rennó; Emprego do Alumínio e suas Ligas,

ABM, SP 1976

• MAGAROLA, Carlos S.; BELTRÁN, José; Manual del Aluminio, Ed Reverté SA, 11ª ed. Barcelona

• BRICK, Robert M., GORDON, Robert B., PHILLIPS, Arthur; Structure and Properties of Alloys, Ed McGraw-Hill Book Company, 3ª ed., pg 147-189, USA, 1965

• Enciclopédia Ciência Ilustrada, Ed. Abril Cultural, SP, 1972

• www.merck.com.br/quimica/tpie/index.htm Tabela Periódica Interativa da Merck

• www.aia.aluminium.pc.ca/english/index.htm Aluminium Associated of Canada

• www.abal.org.br Associação Brasileira do Alumínio