Um breve resumo das ligas de alumínio para aplicações automotivas

Existem várias categorias de ligas de alumínio, algumas delas são utilizadas na engenharia automotiva. Essas classes são identificadas por números que são chamados de séries e variam de 1 a 8 e são identificadas por código de 4 números. A primeira classe é chamada de uma série, representa um componente ou material de alumínio puro. Isso é comumente usado por folhas, placas, comprimidos e blisters e geralmente são reforçados por encruamento. De fato, as ligas de alumínio são determinadas não apenas pelo elemento de liga, mas também por seus procedimentos de reforço que são compostos principalmente por dois tipos de processos: um encruamento ou tempo de tratamento. Assim, os materiais de alumínio são definidos por aqueles que são ligados e aqueles que são puros. O principal objetivo do uso de elementos de liga é aumentar as propriedades mecânicas do alumínio. No entanto, à medida que mais elementos de liga são adicionados, menos resistente à corrosão o material se torna. Esta é a troca crucial de componentes baseados em alumínio. Embora existam várias ligas de alumínio, nem todas são utilizadas em aplicações automotivas. O motivo são suas características que cada liga apresenta de acordo com os elementos de liga adicionados. Portanto, este artigo propõe um resumo das ligas de alumínio utilizadas para aplicações automotivas.

Principais categorias de ligas de alumínio

Tabela: Os principais graus de liga de alumínio e suas características.

Como pode ser visto, o alumínio da série 1xxx representa o material de alumínio puro. As demais classes são todas compostas por alumínio e seus elementos de liga. Assim as ligas de alumínio da série 2xxx denominadas avional, geralmente são aplicadas em chapas e barras e o principal procedimento de reforço é o tratamento térmico. No entanto, o endurecimento do trabalho também pode ser aplicado nele. A série 3xxx é uma liga de alumínio composta por manganês, não é tão útil para projetos mecânicos e automotivos, geralmente é usada para bandejas de alimentos. O procedimento de reforço é o endurecimento do trabalho. As ligas de alumínio da série 4xxx são interessantes para fundição devido à aplicação de Silício. Finalmente as ligas de alumínio das séries cinco, seis e sete são as mais utilizadas para aplicações mecânicas. A inclusão de magnésio (cinco e seis séries) aumenta a capacidade de resistência à corrosão. A diferença entre eles é o tipo de reforço, encruamento ou tratamento térmico (séries 5 e 6-7 respectivamente). A liga de alumínio mais interessante para aplicação automotiva é a série 6xxx, também chamada de anticorodal. Além disso, a série 7xxx (Ergal) e a série 2xxx (Avional), também são utilizadas devido à possibilidade de serem tratadas termicamente.

O tratamento térmico

O procedimento usual de um tratamento térmico: Solution, Quenching e Aging.

O tratamento térmico de base é um processo que possui algumas etapas, cada uma delas com sua finalidade. O primeiro é o tratamento térmico em solução, é um aquecimento com o objetivo de melhorar a solução sólida. A temperatura atingida por este processo depende do objetivo e da demanda deste material. Além disso, é realizado o processo de têmpera, que é o resfriamento rápido do material. Agora o objetivo é reter a solução sólida obtida no processo anterior. Finalmente, o último e mais importante processo de tratamento térmico é realizado, é chamado de envelhecimento. Este é outro aquecimento, mas em temperatura e tempo diferentes, este último fator é mais importante neste processo, pois a temperatura é mantida constante.

O objetivo é melhorar a solubilidade do soluto sólido em alta temperatura, e motiva uma grande variação durante o resfriamento. Esses diagramas de fases indicam que as ligas de alumínio podem ser extraídas.
O tratamento térmico é uma sequência de processos com tempo e faixa de temperatura bem definidos.
As transformações sofridas pelo material durante o tratamento térmico.

O processo inicia-se com um tratamento térmico chamado solução, que é o aquecimento do material até que se defina a temperatura e após esta ser atingida, ela é mantida por algum momento. Isso melhora a solução sólida aumentando sua solubilidade. Após este resfriamento um resfriamento muito rápido é o desempenho deste processo é chamado de quenching. O resfriamento aquece a estrutura do material obtida após o tratamento térmico de solução e a modifica para obter uma composição com uma solução supersaturada. Além disso, o processo de têmpera também é realizado entre uma faixa de temperatura que é predeterminada. Após a têmpera, o material é novamente aquecido, mas esse processo é chamado de envelhecimento. O envelhecimento também é mantido por um tempo definido. O objetivo é, por meio do endurecimento por precipitação, melhorar a estrutura do material, ou seja, refinar seus grãos. a razão pela qual o envelhecimento altera a estrutura do material de uma estrutura de grão fino é que a solução sólida supersaturada não é estável.

O processo de envelhecimento (aging)

A transformação da estrutura do material durante o processo de envelhecimento é definitiva para as características desejadas das ligas de Al.

O envelhecimento é o principal processo do tratamento térmico, tanto o tempo quanto a temperatura do material sob o pão encontram. O objetivo é transformar a estrutura de uma solução sólida supersaturada para uma estrutura com grãos finos. O tempo e a temperatura são parâmetros muito importantes, pois determinam se o processo está sub ou superenvelhecido. Na verdade o processo tem uma faixa ideal de temperatura e tempo O resultado da batalha. O resultado ideal depende de como ficam os precipitados após o processo de envelhecimento. Existem dois precipitados principais que podem ser formados coma precipitados coerentes e incoerentes. A principal diferença entre eles são os deslocamentos (épsilon) dentro da fase secundária. O objetivo do processo asiático é fornecer uma estrutura para que o precipitado tenha uma estrutura coerente, pois neste caso a energia para o material formado deve ser maior. quando um material está sob flexão as discordâncias dentro da estrutura, então do ponto de vista molecular, devem vencer a resistência a essas discordâncias. No momento em que a discordância encontra um precipitado um precipitado coerente passou esta localização dentro do precipitado, o que requer uma grande quantidade de energia hoje a deslocação ocorre. Geralmente a quantidade de incompatibilidade é de cerca de 1% coma para um precipitado coerente. Quando o processo de envelhecimento continua, mesmo um precipitado coerente é obtido. Obtém-se um precipitado semi-coerente que também proporciona um bom resultado em termos de energia necessária para vencer o material e precipita resistência às discordâncias. No entanto, no caso de precipitados semi-coerentes, as discordâncias passam pelos precipitados, mas deformam os precipitados, portanto, a energia para vencer o precipitado é menor. Nesta situação, o processo de envelhecimento está no meio do processo de menor ou maioridade. Quando o processo de envelhecimento é realizado mesmo com a obtenção de precipitados semi-coerentes, a nova fase secundária será constituída por precipitados incoerentes, o que significa um epsilon maior que 25%. O problema com precipitados incoerentes é que eles requerem menos energia para serem superados pelas discordâncias. Na verdade, esses deslocamentos podem ocorrer por três meios, boliche, escalada e deslizamento cruzado.

No processo de envelhecimento seu tempo e faixa de temperatura são cruciais para o desempenho do material. De fato, existem valores ótimos para esses parâmetros.

Para cada liga de alumínio existe um tempo e temperatura de envelhecimento corretos e ótimos, conforme mencionado antes que o tratamento térmico seja composto por uma solução, extinguindo um envelhecimento. O processo de envelhecimento começa com um fortalecimento em solução sólida (1), após a obtenção de um GPZ com uma estrutura coerente (2), então um endurecimento por precipitação aumenta a tensão de escoamento até o nível de pico (3) e se o processo de envelhecimento continuar, o o endurecimento por precipitação torna a estrutura do material mais fraca (4). Neste caso, diz-se que o material está envelhecido.

Os principais tipos de tratamentos térmicos aplicados em ligas de alumínio automotivas

Os tratamentos térmicos são geralmente chamados de têmpera. Para diferenciar os muitos tratamentos térmicos disponíveis, são usados os números T1, T2 e T8. Cada um desses temperamentos tem suas próprias características em relação ao tempo e à temperatura. Além disso, existem têmperas específicas que são desenvolvidas para melhorar as características específicas do material. Nesses casos, o T é seguido por mais de um número, por exemplo, T76. Eles são usados quando o material é aplicado a um componente ou sistema que possui uma função específica que requer uma nova característica ou uma característica melhorada. Para aplicações automotivas T3 e T6 são as têmperas mais utilizadas, a primeira geralmente é aplicada a ligas de alumínio de duas séries e a segunda geralmente é aplicada a ligas de alumínio de seis séries. O têmpera T6 significa uma solução tratada termicamente e envelhecida artificialmente. A têmpera T3 significa um tratamento térmico de solução, código trabalhado e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável.

As zonas livres de precipitados (PFZ)

Um esquema de PFZ que geralmente ocorre quando o Al é ligado com outros elementos.

Também conhecidas como precipitates free zones, o PFZ é um dos detalhes mais importantes sobre ligas são as zonas livres de precipitação ou BFZ. Considerando um material de alumínio, aparecendo material de alumínio, não há contornos de grão, pois neste caso não há elementos de liga. Reis não há precipitados. Neste caso, que é o alumínio Série 1, a resistência à corrosão é muito alta enquanto as propriedades mecânicas não são tão interessantes. Esta é a razão pela qual os elementos de liga são incluídos no composto químico do material. No entanto, também são elementos mentirosos há uma formação de precipitados, e estes resultam no chamado PFZ. Esta característica resulta no aumento da coesão, a fase secundária normalmente gera um contorno de grão com potencial diferente, assim a coesão intergranular ocorre facilmente sobre o contorno verde. Portanto, uma conclusão importante sobre zonas livres de precipitação é que após o tratamento térmico, a liga de alumínio terá propriedades mecânicas muito altas, mas o experimento da roda terá menor resistência à coesão. as zonas livres de precipitação afetam fortemente a resistência à corrosão, mas fora da vizinhança das zonas livres de precipitação existem regiões de estrutura de grãos muito finos. Estes fornecem boas propriedades mecânicas. Portanto, é uma troca: incluir elementos de liga para melhorar as propriedades mecânicas enquanto a resistência à corrosão é progressivamente reduzida. Dentro da zona livre de precipitação existem regiões de alumínio puro e esta é a razão do potencial diferente, pois dentro das zonas livres de precipitação existe alumínio puro e fora existe a estrutura de liga com grãos finos. Portanto, a diferença de potencial é o que motiva a menor resistência à coesão na liga de alumínio. A solução para reduzir o PFZ é reduzir essas zonas que são chamadas de férias. Este é um defeito na rede onde ocorre a nucleação da fase secundária. A redução das férias depende da temperatura de envelhecimento, mas também da concentração inicial do local, que depende do trabalho a frio.

Os efeitos da temperatura e do trabalho a frio na área de PFZ.

Portanto, para melhorar em liga de alumínio em termos de resistência à coesão, existem principalmente duas maneiras de obter a nucleação. Uma maneira é trabalhar com diferentes variações de temperatura. Neste caso é possível reduzir a concentração das férias e depois reduzir a probabilidade de haver uma coesão também nos diferentes potenciais. Em outras palavras, a área com alumínio puro é reduzida. um procedimento alternativo para reduzir a coesão sim iniciando o processo com uma curva de concentração de vagos muito alta, que geralmente é obtida com o trabalho do ouro. Isso pode ser visto na figura as duas concentrações ou reduzi-lo, assim a área de alumínio puro também é reduzida. Portanto, trabalhando com temperaturas ótimas e usando o trabalho a frio, é possível obter uma resistência à corrosão razoável em ligas de alumínio com propriedades mecânicas muito altas.

Propriedades

Tabela: Resumo das propriedades, composição e resistência das ligas de Al.

Como pode ser visto, existem várias características e propriedades das ligas de alumínio e, como já visto, estas são uma troca. Mas o detalhe mais importante sobre as propriedades da liga de alumínio é observado quando o elemento de liga Cooper Cu é adicionado. Isso motiva a diminuição da ductilidade, soldabilidade e capacidade de anodização. Cooper é incluído para melhorar a propriedade mecânica, mas ao custo de alguma manufaturabilidade. De fato, qualquer elemento de liga auxiliado pela liga de alumínio é responsável por alguma diminuição na resistência à corrosão e alguma melhora nas propriedades mecânicas, sendo manganês, magnésio, zinco e silício os principais. Mas o efeito mais pronunciado é observado quando o cobre é adicionado. Por exemplo, é possível ver como as ligas de alumínio Chu e sete séries têm uma grande variação em algumas propriedades após a inclusão do cobre. A resistência à corrosão é reduzida à medida que mais elementos de liga são adicionados. Além disso, esse mesmo efeito é observado com a ductilidade. Na verdade, a melhor opção séria de alumínio em relação a essas propriedades é a série única. Este também pode ser analisado para alguma melhoria das propriedades mecânicas. Como pode ser visto na tabela, existem dois tipos de ligas de sete séries, uma composta por alumínio, zinco em magnésio e outra à qual é adicionado cobre. Esta última é a liga de alumínio ergal, muito comum na indústria automotiva.

A faixa de melhoria entre alongamento e resistência à tração final para as três principais ligas de alumínio automotivas, as séries 2xxx, 6xxx e 7xxx.

Como pode ser visto no gráfico as ligas de alumínio automotivas possuem diferentes faixas de melhoria. A série seis é a única que apresenta a melhor ductilidade, razão pela qual é utilizada principalmente na fabricação de peças automotivas. As outras duas categorias, duas e sete séries, também chamadas de avional e ergal, são as mais utilizadas na fabricação de veículos de alta performance. As duas séries de ligas de alumínio exibem uma faixa intermediária de alongamento e resistência à tração final. em relação às ligas de alumínio da série sete, obtém-se maior alongamento e resistência à tração final, mas este material apresenta uma resistência maior em relação aos outros dois ao custo de uma menor ductilidade.

Referências

  • Ashby, F. Michael. Materials Selection in Mechanical Design. 3rd Edition, Elsevier, London, 2005;
  • Davies, Geoffrey. Materials for Automotive Bodies. 2nd Edition, Elsevier, 2012. ISBN: 978-0-08-096979-4, DOI: 10.1016/C2010-0-66319-X;
  • Texto original no Automotive Papers.