O alumínio é um metal com características muito interessantes, como por exemplo sua baixa densidade, alta fluidez, baixo ponto de fusão e boa resistência à corrosão. Além disso, pode ser facilmente ligado a outros materiais. No entanto, nem todas as ligas de alumínio são úteis para aplicações automotivas. Portanto este artigo propõe um resumo sobre as principais ligas de alumínio que são comumente utilizadas na indústria automotiva.

Série 2xxx

As ligas de alumínio de duas séries são muito comuns na indústria automotiva, devido às suas propriedades mecânicas. Na verdade, eles são semelhantes aos aços de baixo carbono em termos de resistência. A composição química principal é alumínio e Cooper ou alumínio, Cooper e magnésio. Embora muito forte, este grau também está sujeito à corrosão intergranular devido aos precipitados.

A liga de alumínio da série 2xxx mais usada é a 2024, geralmente com tratamento térmico T3, o que significa tratamento térmico por solução, trabalhado a frio e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável. Existem várias ligas de alumínio da série 2xxx, mas para aplicações automotivas as principais são a 2024 e a 2099.

A diferença entre estes dois é o elemento de liga, enquanto 2024 são ligados com Cooper ou Cooper juntamente com magnésio, o 2099 é ligado com Cooper e lítio, que neste caso proporcionam uma resistência mecânica ainda maior comparável às ligas de alumínio da série 7xxx.

O principal problema com as ligas de alumínio 2024 é a corrosão intergranular. Para evitar este fenômeno, eles geralmente são desenvolvidos em uma estrutura sanduíche. Esta é uma estratégia cuja estrutura é composta por liga de alumínio 2024 intercalada por camadas de alumínio puro. O objetivo é evitar a corrosão intergranular, pois mesmo havendo um potencial diferente entre as camadas, o alumínio puro fica exposto ao ar e o outro advogado dele é exposto à liga de alumínio 2024. Desta forma o advogado de alumínio puro atua como proteção e reduz a corrosão intergranular.

A liga de alumínio 2099 pode fornecer uma propriedade mecânica mais alta comparável às ligas de alumínio 7075 e 7055. A principal razão é o aumento da quantidade de cobre e lítio. No entanto esta liga apresenta uma resistência à fadiga semelhante ou igual às outras ligas da série 2xxx. As aplicações da liga de alumínio 2099 estão concentradas na construção de aeronaves, indústria aeroespacial e veículos de alto desempenho.

Série 7xxx

Outro tipo de liga de alumínio aplicado na indústria automotiva é a 7ª série. Estes são caracterizados por seu oi estranho, semelhante ao aço estrutural. estas boas propriedades mecânicas vêm de seus elementos de liga que são cromo, manganês e zircônio.

a adoção desses elementos resulta na produção de coma após têmpera, de dispersóides que ao final formam os intermetálicos. Estes são formados a temperaturas muito altas, não são solubilizados, precipitam nos contornos de grão, aumentam a estabilidade do grão e evitam o engrossamento do grão. De fato a formação de dispersóides representa uma estrutura de grão mais fina, pois as partículas de uma substância dispersas na outra estão muito bem divididas.

Embora essas características sejam muito atrativas, as ligas de alumínio da série sete geralmente são expostas a trincas por corrosão sob tensão e desenvolvem uma baixa resistência à fadiga pelo mesmo motivo que são fortes. A razão é o precipitado MgZn2 que se forma no final do processo asiático. A seqüência desse processo é o fortalecimento da solução sólida, que forma as zonas de guinier preston, a têmpera e, por fim, o envelhecimento que transforma os dispersóides em intermetálicos.

7075 Ergal

A liga de alumínio 7075, também chamada de ergal, é uma variação das sete séries com adição de cobre. Sua composição química principal geralmente inclui alumínio, zircônio magnésio em cromo. Como todas as ligas de alumínio de 7º grau também apresentam problemas de corrosão, assim o tratamento térmico é a têmpera T6. No entanto é possível encontrar algumas variações sobre os processos de têmpera T6 e T7. Estes possuem objetivos específicos e geralmente são aplicados em propósitos bem definidos. O objetivo desses tratamentos térmicos é melhorar a resistência à corrosão. De fato, qualquer melhoria na resistência à corrosão é seguida por uma diminuição da resistência. Isso é útil para tornar esse tipo de liga de alumínio mais resistente à corrosão sob tensão.

Como em todas as ligas de alumínio, se mais elementos de liga forem incluídos, a resistência à corrosão será reduzida. Por esta razão para sete séries existem diferentes tratamentos de envelhecimento, que geralmente são variações de T6 e T7. No entanto, todos eles representam uma troca entre força e resistência à coesão. Se a resistência à corrosão for melhorada por esses tratamentos de envelhecimento, essas tendências serão reduzidas.

Este balanço de características é aceito porque a série sete está exposta à corrosão sob tensão. Este processo de coesão começa com a conversão integral, mas devido à natureza deste processo a coesão se propaga por todo o contorno de grão. Como nas ligas de alumínio da série sete os contornos de grão são longos o resultado é o desprendimento de barras do material, após fenômenos chamados de filiação. Portanto, esses tratamentos térmicos, por exemplo, T6 e T73, preparam o material para evitar a esfoliação e a corrosão sob tensão, respectivamente.

7055

É considerada uma evolução da liga de alumínio 7075, devido ao aumento da quantidade de zircônio e zinco. Na verdade esta é uma variação do ergo com os mesmos componentes químicos (alumínio, minha missão, cobre e zinco). Portanto, este material tem uma melhor resistência ao escoamento e resistência à esfoliação em relação ao 7075. Como resultado, uma área de seção transversal menor pode ser usada, o que significa um peso menor. Essas características tornam o 7055 mais interessante para a indústria aeronáutica.

Ligas de Al-Li

Utilizada especificamente para carrocerias automotivas as ligas de alumínio e lítio apresentam diversas características que justificam seu uso em automóveis. Sua baixa densidade é cerca de 8 em 10% menor do que as outras ligas de alumínio que combinam com seu alto módulo de juventude (cerca de 8 giga pascal), proporcionando uma relação tensão/densidade muito interessante. Mesmo assim, as ligas de alumínio e lítio apresentam menor ductilidade e tenacidade e custam 2 a 3 vezes mais do que as ligas de alumínio 7055.

Devido ao aumento da quantidade de lítio, essas ligas são respectivas à série 8. De acordo com a Figura acima, as adições de lítio melhoram as propriedades mecânicas da liga de alumínio, enquanto o peso específico muito baixo de levantamento não aumenta significativamente o peso do material. No entanto, existe um limite que o lítio pode ser usado como elemento de liga em coma até 4% dos períodos de ninhada. Isso significa que cada 1% de lítio resulta em uma redução de peso de 3% e um aumento de 6% no módulo de Young.

Existem alguns problemas no uso do lítio, como seu alto custo e difícil manuseio durante a fabricação. Na verdade, é rapidamente oxidado, segrega muito rápido durante a fundição quando são encontradas impurezas de sódio e potássio, elas formam compostos de baixo ponto de fusão. Além disso, as ligas binárias alumínio-lítio não apresentam propriedades mecânicas interessantes. Esta é a razão pela qual não existem ligas de Al sem outros elementos de liga juntamente com alumínio e lítio.

O temperamento principal é o T3 e T8. No entanto é comum a aplicação de uma leve deformação plástica (2 a 6%) após a têmpera. Isso cria deslocamentos que aumentam a formação de precipitados durante o tratamento de envelhecimento.

Ligas de Al-Sc

O objetivo de adicionar escândio a uma liga de alumínio é aumentar as propriedades mecânicas. Isto é obtido porque o escândio forma uma solução sólida supersaturada após o tratamento térmico da solução, então após o revenimento forma-se uma fase secundária Al3Sc. Esses dispersóides são altamente coerentes e fornecem uma estrutura de grão fino, aumentando assim a resistência. Além disso, como pode ser visto pelo gráfico, o escândio possui uma estabilidade térmica muito alta, o que motiva uma alta temperatura de recristalização.

O efeito dos dispersóides de escândio é uma incompatibilidade significativa na rede. Quando comparado ao descasamento causado pelo Al3Zr, há uma distorção muito baixa da rede, 1,2% contra 0,8 do Al3Sc. Assim, as ligas de alumínio-escândio estão no limite de uma estrutura coerente sendo algumas vezes consideradas semi-coerentes.

Portanto, as ligas de alumínio escândio apresentam uma resistência melhorada, temperatura de recristalização, um tamanho de grão reduzido e uma resistência melhorada à fissuração (boa soldabilidade). Além disso, esta liga é capaz de manter seu tamanho de grão mesmo após a soldagem.

Ligas de alumínio fundido

O alumínio como material apresenta diversas vantagens, uma delas é o baixo ponto de fusão. Juntamente com a alta fluidez a altas temperaturas, o alumínio tornou-se um material muito recomendado para processos de fundição. Isso permite grande variedade de formas que os moldes podem assumir para fabricar peças e componentes que antes eram considerados inviáveis. Outra vantagem das ligas de alumínio para fundição é a rugosidade da superfície final após a fundição, que não exige tantos pós-processos e acabamento. No entanto, o processo de fundição requer alguns controles para evitar os fenômenos de retração (3,5 a 8,5%) que para o alumínio é um número muito alto.

Como pode ser visto, as melhores previsões de ligas de alumínio são as ligas com silício. No entanto, a quantidade de silício auxiliado deve ser controlada para evitar o engrossamento da microestrutura. Em geral apenas 10% de silício é suficiente para gerar uma composição em torno de 12,7%. neste caso, a estrutura produzida é composta por grandes placas ou agulhas de silicone. Essa estrutura é chamada de hipotética e é caracterizada por uma fragilidade muito alta. Em torno de 10% de silício é possível obter uma estrutura chamada eutética. Embora esta seja a configuração mais utilizada, é quebradiça devido às lamelas afiadas de silicone que concentram o estresse. Portanto, esta configuração requer modificação, mas fornece um baixo ponto de fusão e boa fluidez azul. A liga de silício de alumínio hipoeutético fornece grandes grãos de alumínio e grãos afiados de silício. As principais propriedades das ligas de alumínio silício são boa capacidade de fundição e fluidez (quando eutética), alta resistência à corrosão, boa soldabilidade, baixa retração de solidificação e, em algumas ligas hipotéticas, o processo de máquina é mais difícil.

Todas as ligas de alumínio e silício são tratadas por um processo chamado fluxos. Este é um processo em que partículas sólidas de um elemento são despejadas sobre o alumínio fundido, portanto, de acordo com qual elemento é adicionado, existe um tipo de fluxo. O fluxo principal para ligas de alumínio e silício é realizado pela adição de fluoretos alcalinos.

O principal objetivo dos fluxos é transformar uma estrutura semelhante a uma agulha ou lamela em uma estrutura fibrosa. Em geral, isso é fornecido pelos fluoretos de estrôncio e sódio e também melhoram o refinamento do grão. Consequentemente, a microestrutura é mais resistente ao rasgo a quente, diminuindo sua porosidade e aumentando sua alimentação em massa. No entanto, quanto maior a porcentagem de silício, maior será a quantidade do agente modificador. A concentração usual de estrôncio é de cerca de 0,02%.

O uso de fluoretos de estrôncio em ligas de alumínio e silício melhora a tenacidade se o tamanho das partículas de silício aumentar. Em outras palavras, mesmo com uma estrutura não tão fina, as propriedades mecânicas são melhoradas. De fato, um melhor refinamento de grão proporciona maior resistência à tração, alongamento, dureza e tenacidade à fratura. No entanto, as ligas de alumínio fundido geralmente têm propriedades mecânicas mais baixas em relação às ligas de alumínio forjado. Assim, o tratamento com fluoretos é um processo alternativo para obter uma melhor microestrutura e melhores propriedades mecânicas.

O processo de fluxo é um vazamento de elementos de partículas sólidas no alumínio fundido. Se estas de estrôncio forem substituídas por sódio, é possível restringir o crescimento das partículas de silício pela sua segregação na periferia das placas de silício e proibindo o crescimento. Isso é chamado de mecanismo de “modificação” e ainda é um processo controverso porque depende da quantidade de fósforo. O aumento das partículas de silicone reduz as propriedades mecânicas. Portanto, os processos de fluxo dependem do elemento adicionado. No caso do sódio, produz um resultado melhor que o estrôncio, o fósforo reduz o desempenho do processo de fluxo enquanto o magnésio o motiva. A quantidade específica de elemento modificador adicionado, que depende da quantidade de silício, e as maiores taxas de solidificação auxiliam no processo de modificação.

O processo de modificação depende do elemento adicionado e de sua quantidade, se este ultrapassar determinados valores o processo é chamado de sobremodificação. Por exemplo, quando a quantidade de sódio excede 0,018 – 0,020%, isso cria uma segunda fase AlSiNa que causa o engrossamento dos grãos, o que diminui as propriedades mecânicas.

Ligas Al-Si-Cu, Al-Si e Al-Cu

Existem algumas ligas de alumínio específicas que são indicadas para fundição, algumas delas são o alumínio silício cobre e o alumínio silício magnésio. Esse tipo de fundição de ligas de alumínio é normalmente aplicado em cabeçotes e blocos de motores de combustão interna automotivos. O uso de cobre e silício permite um aumento da usinabilidade e resistência, mas reduz a fusibilidade, ductilidade e resistência à corrosão das ligas de alumínio com cobre. O silício melhora a capacidade de ser usado no processo de fundição de alta pressão. A fundição permanente em areia geralmente é adotada para ligas com menor quantidade de silício e maior quantidade de cobre.

Outro tipo de liga de alumínio utilizado para fundição é o AlCu. Devido ao Cu como elemento de liga esta variação apresenta uma resistência e dureza muito altas em temperaturas acima de 250 graus Celsius. Além disso, isso também é obtido devido ao endurecimento por precipitação junto com o endurecimento por dispersão, que é obtido por compostos intermetálicos. Embora a resistência seja maior do que todas as outras ligas de alumínio fundido, não supera as ligas de alumínio forjado. Isso geralmente é aplicado na indústria aeroespacial e em algumas peças automotivas de alto desempenho.

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;
• artigo original no link: https://automotivepapers.wordpress.com/2022/08/10/the-most-common-aluminum-alloys-used-by-the-automotive-industry/
• Coluna “Engineering Materials” do blog Automotive Papers.