Como e por que elementos de liga são adicionados ao alumínio

Conheça suas ligas: chaves para soldas de alumínio bem-sucedidas

O alumínio puro geralmente não é usado em aplicações estruturais. Para produzir alumínio com resistência adequada para a fabricação de componentes estruturais, é necessário adicionar outros elementos ao alumínio. Então, quais elementos podem ser adicionados a essas ligas de alumínio? A adição desses elementos tem algum efeito sobre o desempenho do material? Em que aplicações essas ligas são usadas?

Por que o alumínio puro é inadequado para aplicações estruturais?

Seria muito incomum encontrar alumínio puro (série 1xxx de ligas) escolhido para fabricação estrutural devido às suas características de resistência. Embora sejam de alumínio quase puro, as séries 1xxx responderão ao encruamento e especialmente se contiverem quantidades apreciáveis de impurezas, como ferro e silício. No entanto, mesmo na condição de encruamento, as ligas da série 1xxx apresentam resistência muito baixa quando comparadas com as outras séries de ligas de alumínio. Quando são escolhidas para uma aplicação estrutural, as ligas da série 1xxx são mais frequentemente escolhidas por sua resistência à corrosão superior e/ou sua alta condutividade elétrica. As aplicações mais comuns para as ligas da série 1xxx são folha de alumínio, barramentos elétricos, arame de metalização e tanques químicos, além de sistemas de tubulação.

Como e por que elementos de liga são adicionados ao alumínio

A adição de elementos de liga ao alumínio é o principal método usado para produzir uma seleção de diferentes materiais que podem ser usados em uma ampla variedade de aplicações estruturais.

Se considerarmos as sete séries de ligas de alumínio designadas usadas em ligas forjadas, poderemos identificar imediatamente os principais elementos da liga usados para produzir cada uma das séries de ligas. Podemos, então, ir mais longe e examinar os efeitos de cada um desses elementos no alumínio. Também adicionamos alguns outros elementos comumente usados e seus efeitos no alumínio.

Série	Elemento de liga primário
1xxx	Alumínio – 99,00% ou superior
2xxx	Cobre
3xxx	Manganês
4xxx	Silício
5xxx	Magnésio
6xxx	Magnésio e silício
7xxx	Zinco

Os principais efeitos dos elementos de liga no alumínio são os seguintes:

Cobre (Cu) 2xxx – As ligas de alumínio-cobre normalmente contêm entre 2% e 10% de cobre, com adições menores de outros elementos. O cobre proporciona aumentos substanciais na resistência e facilita o endurecimento por precipitação. A introdução do cobre no alumínio também pode reduzir a ductilidade e a resistência à corrosão. A suscetibilidade a rachaduras na solidificação das ligas de alumínio-cobre é aumentada. Consequentemente, algumas dessas ligas podem ser as ligas de alumínio mais desafiadoras para soldar. Entre algumas dessas ligas estão as ligas de alumínio tratáveis termicamente de maior resistência. As aplicações mais comuns para as ligas da série 2xxx são aeroespaciais, veículos militares e aletas de foguetes.

Manganês (Mn) 3xxx – A adição de manganês ao alumínio aumenta um pouco a resistência por meio do fortalecimento da solução. Isso também aumenta o encruamento, sem reduzir significativamente a ductilidade ou a resistência à corrosão. Esses são materiais não tratáveis termicamente de resistência moderada que mantêm a resistência a temperaturas elevadas e raramente são usados em grandes aplicações estruturais. As aplicações mais comuns para as ligas da série 3xxx são utensílios de cozinha, radiadores, condensadores de ar-condicionado, evaporadores, trocadores de calor e sistemas de tubulação associados.

Silício (Si) 4xxx – A adição de silício ao alumínio reduz a temperatura do derretimento e melhora a fluidez. Sozinho, o silício no alumínio produz uma liga não tratável termicamente. No entanto, com o magnésio, ele produz uma liga tratável termicamente endurecida por precipitação. Consequentemente, existem ligas tratáveis e não tratáveis termicamente dentro da série 4xxx. As adições de silício ao alumínio são comumente usadas na fabricação de fundições. As aplicações mais comuns para as ligas da série 4xxx são arames de adição para soldagem por fusão e brasagem de alumínio.

Magnésio (Mg) 5xxx – A adição de magnésio ao alumínio aumenta a resistência por meio do fortalecimento da solução sólida e melhora sua capacidade de endurecimento por tensão. Essas são as ligas de alumínio não tratáveis termicamente de maior resistência e, portanto, são amplamente utilizadas em aplicações estruturais. As ligas da série 5xxx são produzidas principalmente como folhas e chapas e apenas ocasionalmente como extrusões. A razão para isso é que essas ligas tensionam para endurecer rapidamente e, portanto, são difíceis e caras de extrudar. Algumas aplicações comuns para as ligas da série 5xxx são carrocerias de caminhões e trens, edifícios, veículos blindados, construção de navios e barcos, cargueiros químicos, vasos de pressão e tanques criogênicos.

Magnésio e silício (Mg₂Si) 6xxx – A adição de magnésio e silício ao alumínio produz o composto de magnésio-silício (Mg₂ Si). A formação desse composto confere à série 6xxx sua capacidade de tratamento térmico. As ligas da série 6xxx são extrudadas de maneira fácil e econômica. Por essa razão, as ligas 6xxx são mais encontradas em uma extensa seleção de formas extrudadas. Essas ligas formam um importante sistema complementar com a liga da série 5xxx. A liga da série 5xxx é usada na forma de placas e as 6xxx são frequentemente unidas à placa extrudada de certa maneira. Algumas das aplicações comuns para as ligas da série 6xxx são corrimãos, eixos de transmissão, seções de chassi automotivo, quadros de bicicleta, móveis tubulares para gramado, andaimes, reforços e suportes usados em caminhões, barcos e muitas outras fabricações estruturais.

Zinco (Zn) 7xxx – A adição de zinco ao alumínio (com alguns outros elementos, principalmente magnésio e/ou cobre) produz ligas de alumínio tratáveis termicamente da mais alta resistência. O zinco aumenta substancialmente a resistência e permite o endurecimento por precipitação. Algumas dessas ligas podem ser suscetíveis a rachaduras por corrosão sob tensão e, por esse motivo, geralmente não são soldadas por fusão. Outras ligas dessa série são frequentemente soldadas por fusão com excelentes resultados. Algumas das aplicações comuns das ligas da série 7xxx são aeroespaciais, veículos blindados, bastões de beisebol e quadros de bicicletas.

Ferro (Fe) – O ferro é a impureza mais comum encontrada no alumínio e é adicionado intencionalmente a algumas ligas puras (série 1xxx) para proporcionar um ligeiro aumento na resistência.

Cromo (Cr) – O cromo é adicionado ao alumínio para controlar a estrutura do grão e evitar o crescimento do grão em ligas de alumínio-magnésio. Isso também ajuda a prevenir a recristalização em ligas de alumínio-magnésio-silício ou alumínio-magnésio-zinco durante o tratamento térmico. O cromo também reduz a suscetibilidade à corrosão sob tensão e aumenta a resistência.

Níquel (Ni) – O níquel é adicionado às ligas de alumínio-cobre e alumínio-silício para aumentar a resistência e a resistência a temperaturas elevadas e reduzir o coeficiente de expansão.

Titânio (Ti) – O titânio é adicionado ao alumínio principalmente como refinador de grãos. O efeito de refino do grão do titânio aumentará se o boro estiver na fusão ou se for adicionado como uma liga principal contendo boro amplamente combinado como TiB2. O titânio é uma adição comum ao arame de adição da solda de alumínio, pois refina a estrutura da solda e ajuda a evitar rachaduras na solda.

Zircônio (Zr) – O zircônio é adicionado ao alumínio para formar um precipitado fino de partículas intermetálicas que inibem a recristalização.

Lítio (Li) – A adição de lítio a alumínio pode aumentar substancialmente a resistência e, o módulo de Young, proporcionar endurecimento por precipitação e diminuir a densidade.

Chumbo (Pb) e Bismuto (Bi) – Chumbo e bismuto são adicionados ao alumínio para auxiliar na formação de cavacos e melhorar a capacidade de usinagem. Essas ligas de usinagem livre geralmente não são soldáveis porque o chumbo e o bismuto produzem constituintes de baixa fusão e podem produzir propriedades mecânicas ruins e/ou alta sensibilidade a trincas na solidificação.

Resumo

Existem muitas ligas de alumínio usadas no setor hoje. Mais de 400 ligas forjadas e mais de 200 ligas de fundição estão atualmente registradas na Aluminum Association. Certamente, uma das considerações mais importantes encontradas durante a soldagem do alumínio é a identificação do tipo de liga à base de alumínio a ser soldada. Se o tipo de material base do componente a ser soldado não for disponibilizado por uma fonte confiável, poderá ficar difícil selecionar um procedimento de soldagem adequado.

Existem algumas orientações gerais quanto ao tipo mais provável de alumínio utilizado em diferentes aplicações, como as mencionadas acima. No entanto, é muito importante estar ciente de que suposições incorretas quanto à química de uma liga de alumínio podem resultar em efeitos muito sérios no desempenho da solda. É altamente recomendável identificar positivamente o tipo de alumínio, e que os procedimentos de soldagem sejam desenvolvidos e testados para verificar o desempenho da solda.