Explorando o impacto de elementos de liga de alumínio

1. Influência dos elementos de liga nas ligas de alumínio

Cobre (Cu)
Nas ligas de alumínio-cobre, a solubilidade máxima do cobre no alumínio é de 5,65% a 548°C, diminuindo para 0,45% a 302°C. O cobre desempenha um papel crucial no fortalecimento da solução sólida. A precipitação de CuAl₂ durante o envelhecimento contribui significativamente para o endurecimento por envelhecimento. Tipicamente, o teor de cobre varia de 2,5% a 5%, com um reforço ótimo observado entre 4% e 6,8%. A maioria das ligas de alumínio duro contém cobre dentro deste intervalo.

Ligas de alumínio-silício (Si)
Nas ligas de alumínio-silício, a solubilidade máxima do silício na fase rica em alumínio é de 1,65% à temperatura eutéctica de 577°C. Embora a solubilidade diminua à medida que a temperatura desce, estas ligas geralmente não podem ser tratadas termicamente para reforço, mas apresentam excelentes propriedades de fundição e resistência à corrosão.

As ligas de alumínio-magnésio-silício combinam magnésio e silício, formando a fase de reforço Mg₂Si com um rácio Mg-to-Si de aproximadamente 1,73:1. Os engenheiros equilibram cuidadosamente estes elementos para otimizar a resistência. Algumas ligas incluem cobre para aumentar a resistência e crómio para atenuar os efeitos adversos do cobre na resistência à corrosão.

Magnésio (Mg)
A solubilidade do magnésio no alumínio diminui com a temperatura. A maioria das ligas de alumínio deformáveis industriais contém menos de 6% de magnésio e baixo teor de silício. Embora estas ligas não possam ser tratadas termicamente, oferecem boa soldabilidade, resistência à corrosão e resistência moderada. O magnésio melhora significativamente a resistência à tração, aumentando-a em cerca de 34 MPa por cada 1% de adição. A adição de manganês (<1%) fortalece ainda mais a liga e melhora a resistência à corrosão e a soldabilidade, facilitando a precipitação uniforme de Mg₅Al₈.

Manganês (Mn)
Nas ligas Al-Mn, a solubilidade do manganês é de cerca de 1,82% a 658°C. A resistência da liga aumenta com o teor de manganês, atingindo um pico de alongamento a 0,8% Mn. Essas ligas não são tratáveis termicamente, mas se beneficiam da capacidade do manganês de inibir a recristalização, refinar a estrutura do grão por meio de partículas MnAl₆ e reduzir os efeitos da impureza de ferro formando compostos (Fe, Mn) Al₆. O manganês é amplamente utilizado sozinho ou com outros elementos em ligas de alumínio.

Zinco (Zn)
A solubilidade do zinco no alumínio é de 31,6% a 275°C, mas desce para 5,6% a 125°C. O zinco por si só oferece um reforço limitado e tende a causar fissuras por corrosão sob tensão. No entanto, a adição de zinco com magnésio forma fases MgZn₂ que aumentam consideravelmente a resistência à tração e ao escoamento. As ligas de alumínio super-duras controlam a relação Zn:Mg (~2,7) para maximizar a resistência à fissuração por corrosão sob tensão. A série de ligas Al-Zn-Mg-Cu fornece a maior resistência entre as ligas de alumínio, tornando-a essencial nas indústrias aeroespacial, de aviação e de energia.

2. Influência dos oligoelementos

Ferro e silício (Fe-Si)
O ferro e o silício são impurezas comuns que afectam significativamente as propriedades das ligas de alumínio. Nas ligas de forjamento Al-Cu-Mg-Ni-Fe, o ferro é adicionado intencionalmente, enquanto o silício é incluído nas ligas de forjamento Al-Mg-S e nas hastes de soldadura e peças fundidas Al-Si. Proporções inadequadas de Fe-Si causam a formação de fases como B-FeSiAl₁₃ ou α-Fe₂SiAl₈, o que pode levar a rachaduras e fragilidade na fundição, se excessivas.

Titânio e boro (Ti-B)
O titânio, frequentemente adicionado como ligas principais Al-Ti ou Al-Ti-B, forma partículas TiAl₂ que actuam como núcleos de nucleação para refinar estruturas de fundição e soldadura. O teor crítico de titânio é de cerca de 0,15%, reduzido para 0,01% com a presença de boro.

Crómio (Cr)
O crómio é comum nas ligas Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn e Al-Mg. A 600°C, sua solubilidade é de 0,8%, desprezível à temperatura ambiente. O crómio forma intermetálicos como (CrFe)Al₇ e (CrMn)Al₁₂ que impedem a recristalização, aumentam a tenacidade e reduzem a fissuração por corrosão sob tensão, mas podem aumentar a sensibilidade à têmpera e alterar a cor da película anodizada. O teor de crómio é geralmente mantido abaixo de 0,35%.

Estrôncio (Sr)
O estrôncio modifica as fases intermetálicas nas ligas de alumínio, melhorando a plasticidade e a qualidade do produto final. Nos últimos anos, substituiu o sódio nas ligas de fundição Al-Si devido ao seu efeito de modificação mais longo e melhor reprodutibilidade. A adição de 0,015%-0,03% de estrôncio às ligas de extrusão converte β-AlFeSi em α-AlFeSi, reduzindo o tempo de homogeneização.

Compreender o papel destes elementos de liga e oligoelementos é essencial para otimizar as propriedades das ligas de alumínio, melhorar o desempenho dos produtos e fazer avançar os processos de fabrico em indústrias como a aeroespacial, a automóvel e a da construção.

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