Alumínio

Tanto na Grécia como na Antiga Roma se empregava o alumbre (do latín a oūmen, -ĭnis, alumbre), um sal duplo de alumínio e potasio como mordiente em tintorería e astringente em medicina, uso ainda em vigor.

Geralmente reconhece-se a Friedrich Wöhler o isolamento do alumínio em 1827 . Ainda assim, o metal foi obtido, impuro, dois anos dantes pelo físico e químico dinamarquês Hans Christian Ørsted. Em 1807 , Humphrey Davy propôs o nome aluminum para este metal ainda não descoberto, mas mais tarde decidiu o mudar por aluminium por coerência com a maioria dos nomes de elementos, que usam o sufixo -ium. Deste derivaram os nomes actuais em inglês e em outros idiomas; não obstante, nos EE. UU. com o tempo se popularizó o uso da primeira forma, hoje também admitida pela IUPAC ainda que prefere a outra.^[3]

Quando foi descoberto se encontrou que era extremamente difícil sua separação das rochas das que fazia parte, pelo que durante um tempo foi considerado um metal precioso, mais caro que o ouro. A metade do século XIX, obtiveram-se na França pequenas quantidades de alumínio por redução de cloruro alumínico-sódico com sodio, procedimento desenvolvido por Saint-Claire Deville baseando nos trabalhos de Oersted e Wöhler. Exibiram-se barras de alumínio junto com as jóias da coroa da França na Exposição Universal de 1855 e disse-se que Napoleón III tinha encarregado um jogo de platos de alumínio para seus mais ilustres convidados.

Em 1882 o alumínio era considerado um metal de espantosa rareza do que se produziam em todo mundo menos de 2 toneladas anuais. Em 1884 seleccionou-se o alumínio como material para realizar o vértice do Monumento a Washington, em uma época em que a onza (30 gramas) custava o equivalente ao salário diário dos operários que intervinham no projecto;^[4] tinha o mesmo valor que a prata.

No entanto, com as melhoras dos processos os preços baixaram continuamente até colapsarse em 1889 depois de descobrir-se um método singelo de extracção do metal alumínio. A invenção da dinamo por Siemens em 1866 proporcionou a técnica adequada para produzir a electrólisis do alumínio. A invenção do processo Hall-Héroult em 1886 (patenteado independentemente por Héroult na França e Hall em EE.UU. ) abarató o processo de extracção do alumínio a partir do mineral, o que permitiu, junto com o processo Bayer (inventado ao ano seguinte, e que permite a obtenção de óxido de alumnio puro a partir da bauxita), que se estendesse seu uso até se fazer comum em multidão de aplicações. Suas aplicações industriais são relativamente recentes, produzindo-se a escala industrial desde finais do século XIX. Isso possibilitou que o alumínio passasse a ser um metal comum e familiar.^[5]
Para 1895 seu uso como material de construção estava tão estendido que tinha chegado a Sídney , Austrália, onde se utilizou na cúpula do Edifício da Secretaria.

A produção mundial atingiu as 6.700 toneladas para 1900, 700.000 em 1939 e em 1943 chegou aos dois milhões devido ao impulso da II Guerra Mundial. Desde então a produção disparou-se até superar a de todos os demais metais não férreos.

Actualmente o processo ordinário de obtenção do metal consta de duas etapas, a obtenção de alúmina pelo processo Bayer a partir da bauxita, e posterior electrólisis do óxido para obter o alumínio.

A recuperação do metal a partir da chatarra, material velho ou desfeitos (reciclado) era uma prática conhecida desde princípios do século XX. No entanto, é a partir dos anos 1960 quando se generaliza, mais por razões medioambientales que estritamente económicas, já que o reciclaje consome o 5% do que consome a produção metalúrgica a partir do mineral.

Isótopos

O alumínio tem nove isótopos cujas massas atómicas variam entre 23 e 30 ou. Tão só o ²⁷A o, estável, e ²⁶A o, radiactivo com um período de semidesintegración de 7,2×10⁵ anos, encontram-se na natureza. O ²⁶Ao produz-se na atmosfera ao ser bombardeado o argón com raios cósmicos e protones. Os isótopos de alumínio têm aplicação prática na datación de sedimentos marinhos, gelos glaciares, meteoritos, etc. A relação ²⁶A o/¹⁰Bê empregou-se na análise de processos de transporte, deposición, sedimentación e erosión a escalas de tempo de milhões de anos.

O ²⁶Ao cosmogénico aplicou-se primeiro nos estudos da Lua e os meteoritos. Estes últimos se encontram submetidos a um intenso bombardeio de raios cósmicos durante sua viagem espacial, se produzindo uma quantidade significativa de 26 A o. Depois de seu impacto contra a Terra, a atmosfera, que filtra os raios cósmicos, detém a produção de 26 Ao permitindo determinar a data na que o meteorito caiu.

Características

Características físicas

Entre as características físicas do alumínio, destacam as seguintes:

• É um metal ligeiro, cuja densidade é de 2.700 kg/m³ (2,7 vezes a densidade da água), um terço da do aço.
• Tem um ponto de fusão baixo: 660 °C (933 K).
• O peso atómico do alumínio é de 26,9815 ou.
• É de cor branco brilhante, com boas propriedades ópticas e um alto poder de reflexão de radiaciones luminosas e térmicas.
• Tem uma elevada conductividad eléctrica compreendida entre 34 e 38 m/(Ω mm²) e uma elevada conductividad térmica (80 a 230 W/(m·K)).
• Resistente à corrosão, aos produtos químicos, à intemperie e à água de mar, graças à capa da o₂Ou₃ formada.
• Abundante na natureza. É o terceiro elemento mais comum na cortezaterrestre , depois do oxigénio e o silício.
• Sua produção metalúrgica a partir de minerales é muito cara e requer grande quantidade de energia eléctrica.
• Material barato e fácil de reciclar .

Características mecânicas

Entre as características mecânicas do alumínio têm-se as seguintes:

• De fácil usinagem devido a sua baixa dureza.
• Muito maleável, permite a produção de lâminas muito delgadas.
• Bastante dúctil, permite a fabricação de cabos eléctricos.
• Material macio (Escala de Mohs: 2-3). Limite de resistência em tracção: 160-200 N/mm² [160-200 MPa] em estado puro, em estado aleado a faixa é de 1.400-6.000 N/mm². O duraluminio foi a primeira liga de alumínio endurecida que se conheceu, o que permitiu seu uso em aplicações estruturais.
• Para seu uso como material estrutural se precisa alearlo com outros metais para melhorar as propriedades mecânicas, bem como lhe aplicar tratamentos térmicos.
• Permite a fabricação de peças por fundição , forja e extrusão.
• Material soldable.
• Com CO₂ absorve o duplo do impacto.

Características químicas

• Devido a seu elevado estado de oxidación forma-se rapidamente ao ar uma fina capa superficial de óxido de alumínio (Alúmina Ao₂Ou₃) impermeable e adherente que detém o processo de oxidación, o que lhe proporciona resistência à corrosão e durabilidade. Esta capa protectora, de cor cinza mate, pode ser ampliada por electrólisis em presença de oxalatos . Certas ligas de alta dureza apresentam problemas graves de corrosão intercristalina.
• O alumínio tem características anfóteras. Isto significa que se dissolve tanto em ácidos (formando salgues de alumínio) como em bases fortes (formando aluminatos com o anión [Ao (OH)₄]^–) libertando hidrógeno.
• A capa de óxido formada sobre o alumínio pode-se dissolver em ácido cítrico formando citrato de alumínio.
• O principal e quase único estado de oxidación do alumínio é +III como é de se esperar por seus três elétrons na capa de valencia (Se veja também: metal pesado, electrólisis).

O alumínio reage com facilidade com HCl, NaOH, ácido perclórico, mas em general resiste a corrosão devido ao óxido. No entanto quando há iones Cu²⁺ e Cl^– seu pasivación desaparece e é muito reactivo.

Os alquilaluminios, usados na polimerización do etileno,^[6] são tão reactivos que destroem o tecido humano e produzem reacções exotérmicas violentas ao contacto do ar e da água.^[7]

O óxido de alumínio é tão estável que se utiliza para obter outros metais a partir de seus óxidos (cromo, manganês, etc.) pelo processo aluminotérmico.

Aplicações e usos

Já seja considerando a quantidade ou o valor do metal empregado, o uso industrial do alumínio excede ao do qualquer outro metal excetuando o ferro / aço. É um material importante em multidão de actividades económicas e tem sido considerado um recurso estratégico em situações de conflito.

Alumínio metálico

O alumínio utiliza-se rara vez 100% puro e quase sempre se usa aleado com outros metais para melhorar alguma de suas características. O alumínio puro emprega-se principalmente na fabricação de espelhos, tanto para uso doméstico como para telescópios reflectores.

Os principais usos industriais das ligas metálicas de alumínio são:

• Transporte; como material estrutural em aviões, automóveis, tanques, superestructuras de navios e bicicletas.
• Estruturas portantes de alumínio em edifícios (veja-se Eurocódigo 9)
• Embalaje de alimentos; papel de alumínio, batas, tetrabriks, etc.
• Carpintería metálica; portas, janelas, fechamentos, armários, etc.
• Bens de uso doméstico; utensilios de cozinha, ferramentas, etc.
• Transmissão eléctrica. Um condutor de alumínio de mesma longitude e peso é mais conductivo que um de cobre e mais barato. No entanto o cabo seria mais grosso. Medida em volume a conductividad eléctrica é tão só o 60% da do cobre. Seu maior ligereza reduz o esforço que devem suportar as torres de alta tensão e permite uma maior separação entre torres, diminuindo os custos da infra-estrutura. Em aeronáutica também substitui ao cobre^[8]
• Recipientes criogénicos (até -200 °C), já que contrariamente ao aço não apresenta temperatura de transição dúctil a frágil. Por isso a tenacidad do material é melhor a baixas temperaturas.
• Calderería.

Devido a seu grande reactividad química, o alumínio usa-se finamente pulverizado como combustível sólido de foguetes espaciais e para aumentar a potência dos explosivos.

Também se usa como ánodo de sacrifício e em processos de aluminotermia (termita) para a obtenção e solda de metais.

Compostos não metálicos de alumínio

• O óxido de alumínio, também chamado alúmina, (Ao₂Ou₃) é um produto intermediário da obtenção de alumínio a partir da bauxita. Utiliza-se como revestimento de protecção e como adsorbente para apurar produtos químicos. O óxido de alumínio cristalino chama-se corindón e utiliza-se principalmente como abrasivo. O corindón transparente chama-se rubí quando é vermelho e zafiro nos outros casos, se utilizando em joyería e nos emissores de raios laser. O rubí e o zafiro também podem ser produzidos artificialmente.^[9]
• Os haluros de alumínio têm características de ácido Lewis e são utilizados como tais como catalizadores ou reactivos auxiliares. Em particular, o cloruro de alumínio (AlCl₃) emprega-se na produção de pinturas e caucho sintético bem como no refino de petróleo.
• Os aluminosilicatos são uma classe importante de minerales. Fazem parte das arcillas e são a base de muitas cerâmicas e vidros. Em vidros e cerâmicas também se utilizam óxidos de alumínio e o borato de alumínio (Ao₂Ou₃ · B₂Ou₃).
• O hidróxido de alumínio (Ao (OH)₃) emprega-se como antiácido, como mordiente, em tratamento de águas, na produção de cerâmica e vidro e na impermeabilización de tecidos.
• Os hidruros complexos de alumínio são redutores valiosos em síntese orgânica.
• O sulfato de alumínio (Ao₂(SO₄)₃) e o sulfato de amonio e alumínio (Ao (NH₄)(SO₄)₂) empregam-se como modiente o tratamento no tratamento de águas, na produção de papel, como aditivo alimentário e no curtido do couro.^[10]
• O fosfato de alumínio (AlPO₄) utiliza-se, junto com outras matérias, como deshidratante a alta temperatura.
• O borohidruro de alumínio (Ao (BH₄)₃) acrescenta-se como aditivo aos combustíveis de aviões de reacção.
• Os sais de alumínio dos ácidos grasos (por exemplo o estearato de alumínio) fazem parte da formulación do napalm.
• Em muitas vacinas, certos sais de alumínio realizam a função de adyuvante inmune para ajudar à proteína da vacina a adquirir suficiente potência para estimular ao sistema inmunitario.
• O Ao (CH₂CH₃)₃ arde violentamente ao ar e destrói rapidamente os tecidos.

Produção

O processo Bayer, inventado por Karl Bayer em 1889 , é o método utilizado maioritariamente para produzir alúmina a partir da bauxita.

O processo começa com uma lavagem da bauxita molida com uma solução de sosa cáustica a alta pressão e temperatura. Os minerales de alumínio dissolvem-se enquanto os outros componentes da bauxita, principalmente sílice e óxidos de ferro e titanio permanecem sólidos e depositam-se no fundo de um decantador de onde são retirados.

A seguir se recristaliza o hidróxido de alumínio da solução e calcina-se a mais de 900 °C para produzir uma alúmina, Ao₂Ou₃, de alta qualidade.

Electrólisis da alúmina

O óxido de alumínio (ou alúmina) dissolve-se em um banho fundido de criolita (Na₃AlF₆) e se electroliza em uma cela electrolítica usando ánodos e cátodo de carbono. Realiza-se desta maneira, já que a alúmina proveniente do processo Bayer tem um ponto de fusão extremamente alto (acima dos 2.000 °C), muito caro e difícil de atingir na prática industrial. A mistura com a criolita dá uma mistura eutéctica, que consegue baixar o ponto de fusão a ao redor dos 900 °C. Por esta razão o consumo energético que se utiliza para obter alumínio é muito elevado e o converte em um dos metais mais caros de obter, já que é necessário gastar entre 17 e 20 kWh pela cada quilo de metal de alumínio. Destes banhos obtém-se alumínio metálico em estado líquido com uma pureza entre um 99,5 e um 99,9%, ficando traças de ferro e silício como impurezas principais.^[12]

A electrólisis é um processo electroquímico no que se faz passar uma corrente eléctrica através de uma solução que contém compostos desassociados em iones para provocar uma série de transformações químicas. A corrente eléctrica proporciona-se à solução submergindo nela dois eléctrodos, um chamado cátodo e outro chamado ánodo, ligados respectivamente ao pólo negativo e ao pólo positivo de uma fonte de corrente contínua.

A cela electrolítica usada para obter o alumínio tem uns eléctrodos dispostos em forma horizontal, a diferença dos usados para afinar Fé ou Cu. O banho electrolítico deve ter menor densidade que o alumínio a essa temperatura (ao redor de 2.300 kg/m³ a 900 °C), já que o alumínio já refinado deve depositar no fundo da cuba electrolítica, saindo pelo fundo do recipiente. Calcula-se que pela cada tonelada produzida de alumínio metálico, se consomem 460 kg de carbono, proveniente dos eléctrodos.

O grande problema do alumínio é o preço da energia que consome para o produzir e que representa entre um 25% e um 30% do custo de produção do metal. Por esta razão estão a desenvolver-se processos alternativos que permitem uma redução da energia necessária, até um 70% menos que com o procedimento electrolítico.^[13]

Purificación e conformado do alumínio

O alumínio procedente das cubas electrolíticas passa a fornos para misturá-lo de maneira precisa com outros metais para formar diversas ligas com propriedades específicas desenhadas para diversos usos. O metal apura-se em um processo denominado adição de fundente e depois verte-se em moldes ou funde-se directamente em lingotes .

Para obter uma tonelada de alumínio fazem falta umas duas toneladas de alúmina e uma grande quantidade de electricidade. A sua vez, para produzir duas toneladas de alúmina precisam-se umas quatro toneladas de bauxita, em um processo complexo que requer equipas de grande tamanho.

Produção mundial de alumínio

Ano	África	América do Norte	América latina	Ásia	Europa e Rússia	Oceania	Total
1973	249	5.039	229	1.439	2.757	324	10.037
1978	336	5.409	413	1.126	3.730	414	11 428
1982	501	4.343	795	1.103	3.306	548	10.496
1987	573	4.889	1.486	927	3.462	1.273	12.604
1992	617	6.016	1.949	1.379	3.319	1.483	14.763
1997	1.106	5.930	2.116	1.910	6.613	1.804	19.479
2003	1.428	5.945	2.275	2.457	8.064	2.198	21.935
2004	1.711	5.110	2.356	2.735	8.433	2.246	22.591
Produção de alumínio em milhões de toneladas. Fonte: International Aluminium Association

A produção mundial de alumínio secundário a partir do reciclado eleva-se a 7,6 Mt em 2005, sendo o 20% da produção total deste metal.

Substitutos do alumínio

• O cobre pode reemplezar ao alumínio nas aplicações eléctricas.
• O magnésio, titanio e aço pode substituí-lo em usos em estruturas e transporte terrestre.
• Os composites, o aço e a madeira podem substituir na construção e usos estruturais.
• O vidro, o papel e o aço podem substituir no empacotado.^[11]

Ligas

Desde o ponto de vista físico, o alumínio puro possui uma resistência muito baixa à tracção e uma dureza escassa. Em mudança, unido em liga com outros elementos, o alumínio adquire características mecânicas muito superiores. A primeira liga de alumínio que melhorava sua dureza foi o duraluminio e existem actualmente centenas de ligas diferentes. O duraluminio é uma liga de alumínio com cobre (Cu) (3-5%) e pequenas quantidades de magnésio (Mg) (0,5-2%), manganês (Mn) (0,25-1%) e zinco (Zn) (3,5-5%).

São também importantes os diversos tipos de ligas chamadas anticorodal, a base de alumínio (A o) e pequenos contribuas de magnésio (Mg) e silício (Se). Mas que podem conter às vezes manganês (Mn), titanio (Ti) e cromo (Cr). A estas ligas conhece-lhas com o nome de avional , duralinox, silumin, hidronalio, peraluman, etc.

Como há diferentes composições de alumínio no mercado, é importante considerar as propriedades que estas apresentam, pois, na indústria da manufactura, umas são mas favoráveis que outras.

Contribuições dos elementos aleantes

Os principais elementos aleantes do alumínio são os seguintes e listam-se as vantagens que proporcionam.

• Cromo (Cr). Aumenta a resistência mecânica quando está combinado com outros elementos Cu, Mn, Mg.
• Cobre (Cu). Incrementa as propriedades mecânicas mas reduz a resistência à corrosão.
• Ferro (Fé). Incrementa a resistência mecânica.
• Magnésio (Mg). Tem alta resistência depois do conformado em frio.
• Manganês (Mn). Incrementa as propriedades mecânicas e reduz a qualidade de embutición.
• Silício (Se). Combinado com magnésio (Mg), tem maior resistência mecânica.
• Titanio (Ti). Aumenta a resistência mecânica.
• Zinco (Zn). Reduz a resistência à corrosão.

Tipos de ligas padrão

As ligas de alumínio forjado dividem-se em dois grandes grupos, as que não recebem tratamento térmico e as que recebem tratamento térmico.

Ligas de alumínio forjado sem tratamento térmico

As ligas que não recebem tratamento térmico somente podem ser trabalhadas em frio para aumentar sua resistência. Há três grupos principais destas ligas segundo a norma AISI-SAE que são os seguintes:

• Ligas 1xxx. São ligas de alumínio tecnicamente puro, ao 99,9% sendo seus principais impurezas o ferro e o silício como elemento aleante. Contribui-se-lhes um 0,12% de cobre para aumentar sua resistência. Têm uma resistência aproximada de 90 MPa. Utilizam-se principalmente par trabalhos de laminados em frio.
• Ligas 3 xxx. O elemento aleante principal deste grupo de ligas é o manganês (Mn) que está presente a um 1,2% e tem como objectivo reforçar ao alumínio. Têm uma resistência aproximada de 16 kpsi (110 MPa) em condições de recozido. Utilizam-se em componentes que exijam boa mecanibilidad.
• Ligas 5xxx. Neste grupo de ligas é o magnésio é o principal componente aleante seu contribua varia de 2 ao 5%. Esta liga utiliza-se para conseguir reforço em solução sólida. Tem uma resistência aproximada de 28 kpsi (193 MPa) em condições de recozido.

Ligas de alumínio forjado com tratamento térmico

Algumas ligas podem reforçar-se mediante tratamento térmico em um processo de precipitação. O nível de tratamento térmico de uma liga representa-se mediante a letra T seguido de um número por exemplo T5. Há três grupos principais deste tipo de ligas.

• Ligas 2xxx: O principal aleante deste grupo de ligas é o cobre (Cu), ainda que também contêm magnésio Mg. Estas ligas com um tratamento T6 tem uma resistência à tracção aproximada de 64 kpsi (442 MPa) e utiliza-se na fabricação de estruturas de aviões. Algumas destas ligas denominam-se duraluminio.
• Ligas 6xxx. Os principais elementos aleantes deste grupo são magnésio e silício. Com umas condições de tratamento térmico T6 atinge uma resistência à tracção de 42 kpsi (290 MPa) e é utilizada para perfis e estruturas em general.
• Ligas 7xxx. Os principais aleantes deste grupo de ligas são cinc, magnésio e cobre. Com um tratamento T6 tem uma resistência à tracção aproximada de 73 kpsi (504 MPa) e utiliza-se para fabricar estruturas de aviões.

Extrusão

A extrusão é um processo tecnológico que consiste em dar forma ou moldar uma massa a fazendo sair por uma abertura especialmente disposta para conseguir perfis de desenho complicado.^[14]

Consegue-se mediante a utilização de um fluxo contínuo da matéria prima, geralmente produtos metalúrgicos ou plásticos. As matérias primas submetem-se a fusão , transporte, pressão e deformação através de um molde segundo seja o perfil que se queira obter.

O alumínio devido a suas propriedades é um dos metais que mais se utiliza para produzir variados e complicados tipos de perfis que se usam principalmente nas construções de carpintería metálica. Pode-se extruir tanto alumínio primário como secundário obtido mediante reciclado.

Para realizar a extrusão, a matéria prima, fornece-se em lingotes cilíndricos também chamados “tochos”. O processo de extrusão consiste em aplicar uma pressão ao cilindro de alumínio (tocho) fazendo-o passar por um molde (matriz), para conseguir a forma desejada. A cada tipo de perfil, possui um “molde” chamado matriz adequado, que é o que determinará sua forma.

O tocho é aquecido (aproximadamente a 500 °C, temperatura em que o alumínio atinge um estado plástico) para facilitar seu passo pela matriz, e é introduzido na imprensa. Depois, a base do tocho é submetida a um lume de combustão incompleta, para gerar uma capa fina de carbono. Esta capa evita que o émbolo da imprensa fique colado ao mesmo. A imprensa fecha-se, e um émbolo começa a empurrar o tocho à pressão necessária, de acordo com as dimensões do perfil, obrigando-o a sair pela boca da matriz. A grande pressão à que se vê submetido o alumínio faz que este eleve sua temperatura ganhando em maleabilidade.

Os componentes principais de uma instalação de extrusão partes são, o contêiner onde se coloca o tocho para extrusão baixo pressão, o cilindro principal com pistão que imprensa o material através do contêiner, a matriz e o portamatriz.

Do processo de extrusão e tempere, dependem grande parte das características mecânicas dos perfis, bem como a qualidade nos acabamentos, sobretudo nos anodizados. O tempere, em uma liga de alumínio, produz-se por efeito mecânico ou térmico, criando estruturas e propriedades mecânicas características.

Acabamento do extrusionado

À medida que os perfis extrusionados vão saindo da imprensa através da matriz, deslizam-se sobre uma bancada onde se lhes enfría com ar ou água, em função de seu tamanho e forma, bem como as características da liga envolvida e as propriedades requeridas. Para obter perfis de alumínio rectos e eliminar qualquer tensão no material, estica-se-lhes. Depois, cortam-se em longitudes adequadas e envelhecem-se artificialmente para conseguir a resistência apropriada. O envejecimiento realiza-se em fornos a uns 200 °C e estão no forno durante um período que varia entre 4 a 8 horas. Todo este processo de realiza de forma automatizada.^[15]

Tempere dos perfis

Os processos térmicos que aumentam a resistência do alumínio. Há dois processo de tempere que são o tratamento térmico em solução, e o envejecimiento. O tempere T5 consegue-se mediante envejecimiento dos perfis que passam aos fornos de maduración, os quais mantêm uma determinada temperatura durante um tempo dado. Normalmente 185 °C durante 240 minutos para as ligas da família 6060, desta forma consegue-se a precipitação do silício com o magnésio em forma de siliciuro de magnésio (SiMg₂) dentro das dentritas de alumínio, produzindo-se assim o tempere do material. A temperatura de saída de extrusão superior a 510 °C para as ligas 6060 mais o correcto enfriamiento dos perfis a 250 °C em menos de quatro minutos, é fundamental para que o material adquira suas propriedades,
^[16] a este material se lhe considera de tempere 4 ou T4 ou também conhecido como sem tempere.

O tempere é medido por Durometros , com a unidade de medida chamada Webster ou graus Websters.

Fundição de peças

A fundição de peças consiste fundamentalmente em encher um molde com a quantidade de metal fundido requerido pelas dimensões da peça a fundir, para que após a solidificación, obter a peça que tem o tamanho e a forma do molde.

Existem três tipos de processos de fundição diferenciados aplicados ao alumínio:

• Fundição em molde de areia
• Fundição em molde metálico
• Fundição por pressão ou inyección.

No processo de fundição com molde de areia faz-se o molde em areia consolidada por uma apisonado manual ou mecânico ao redor de um molde, o qual é extraído dantes de receber o metal fundido. A seguir verte-se a colada e quando solidifica se destrói o molde e se granalla a peça. Este método de fundição é normalmente eleito para a produção de:

• Quantidades pequenas de peças fundidas idênticas
• Peças fundidas complexas com núcleos complicados
• Peças estruturais fundidas de grande tamanho.

A fundição em molde metálico permanente chamados coquillas, servem para obter maiores produções. Neste método verte-se a colada do metal fundido em um molde metálico permanente baixo gravidade e baixo pressão centrífuga. As peças fundidas assim têm uma estrutura de grão mais fino, e são mais resistentes que as peças fundidas com moldes de areia, como a velocidade de enfriamiento é mais rápida. Ademais, as peças fundidas em molde permanente possuem geralmente menores contracções e porosidad que as peças fundidas em areia. No entanto, os moldes permanentes têm limitações de tamanho, e para peças complexas porque pode resultar caro, difícil ou impossível fundí-las por moldo.

No método de fundição por inyección a pressão fundem-se peças idênticas ao máximo ritmo de produção forçando o metal fundido baixo grandes pressões nos moldes metálicos. As duas partes da matriz de metal são engatilladas de forma segura para poder resistir a alta pressão. O alumínio fundido é obrigado a repartir pelas cavidades da matriz. Quando o metal se tem solidificado, as matrizes são desbloqueadas e abertas para extrair a peça fundida quente.

As vantagens da fundição a pressão são:

1. As peças estão quase acabadas e podem produzir-se a um alto ritmo.
2. As tolerâncias adimensionales da cada parte da peça fundida podem ser mantidas mais solidamente.
3. É possível a obtenção de superfícies suaves.
4. O processo pode ser automatizado.^[17]

Mediante o sistema de fundição adequado podem-se fundir peças que pode variar desde pequenas peças de prótesis dental, com peso de gramas, até as grandes estruturas de máquinas de várias toneladas, de forma variada, singela ou complicada, que são impossíveis de fabricar por outro procedimento convencionais, como forja, laminación, etc.

O processo de fundição pode-se esquematizar da seguinte maneira:

• Desenho do modelo original da peça a fundir
• Elaboração do tipo de modelo desenhado
• Fusão do material a fundir
• Inserção da colada no molde
• Solidificación da peça
• Limpeza da superfície com processos vibratorio ou de jateado.^[18]

Características das ligas para fundição

As ligas de alumínio para fundição têm sido desenvolvidas tida conta de que proporcionam qualidades de fundição idóneas, como fluidez e capacidade de alimentação, bem como valores optimizados para propriedades como resistência à tensão, ductilidad e
resistência à corrosão. Diferem bastante das ligas para forja. O silício em uma faixa entre o 5 ao 12% é o elemento aleante mais importante porque promove um aumento da fluidez nos metais fundidos. Em menores quantidades acrescenta-se magnésio, ou cobre com o fim de aumentar a resistência das peças.^[12]

Usinagem

A usinagem do alumínio e suas ligas em máquinas ferramentas de arranque de virutas em general, é fácil e rápido e está a dar passo a uma nova concepção da usinagem denominada genericamente usinagem rápida. Durante o arranque de viruta, as forças de corte que têm lugar são consideravelmente menores que no caso das geradas com o aço (a força necessária para a usinagem do alumínio é aproximadamente um 30% da necessária para mecanizar aço).^[19] Portanto, os esforços sobre os úteis e ferramentas bem como a energia consumida no processo é menor para o arranque de um volume igual de viruta.

O conceito de usinagem rápido refere-se ao que se produz nas modernas máquinas ferramentas de Controle Numérico com cabeças potentes e robustos que lhes permitem girar a muitos milhares de revoluções por minuto até da ordem de 30.000 rpm, e avanços de trabalho muito grandes quando se trata da usinagem de materiais macios e com muita casca de viruta tal e como ocorre na fabricação de moldes ou de grandes componentes da indústria aeronáutica.

O alumínio tem umas excelentes características de conductividad térmica, o qual é uma importante vantagem, dado que permite que o calor gerado na usinagem se dissipe com rapidez. Sua baixa densidade faz que as forças de inércia nas peças de alumínio giratório (torneados) sejam assim mesmo muito menores que em outros materiais.

Ocorre, no entanto, que o coeficiente de atrito entre o alumínio e os metais de corte é, comparativamente com outros metais, elevado. Este facto unido a sua baixa resistência faz que se comporte como plastilina, podendo causar o embotamiento dos fios de corte, deteriorando a qualidade da superfície mecanizada a baixas velocidades de corte e inclusive a elevadas velocidades com referigeração insuficiente. Sempre que a referigeração no corte seja suficiente, há uma menor tendência ao embotamiento com ligas mais duras, com velocidades de corte maiores e com ângulos de desprendimiento maiores.

O desenvolvimento da usinagem rápida permite que muitas peças complexas não seja necessário as fundir previamente senão que se mecanicen a partir de uns prismas aos quais se lhes realiza toda a casca que seja necessário.

A usinagem rápida pode representar uma redução de custos em torno do 60%. Neste tipo de usinagem rápido torna-se crítico a selecção das ferramentas e os parámetros de corte. A adopção da usinagem de alta velocidade é um processo difícil para o fabricante, já que requer mudanças importantes na planta, um caro investimento em maquinaria e software, além de uma formação qualificada do pessoal.^[20]

Ferramentas de corte

Para a usinagem rápida que se realiza nas máquinas ferramentas de Controle Numérico é conveniente que se utilizem ferramentas especiais para a usinagem do alumínio. Distinguem-se das empregadas na usinagem do aço em que têm maiores ângulos de desprendimiento e um maior espaço para a evacuação da viruta, bem como uns rebajes para que a viruta flua melhor. A maioria das ferramentas de fio múltipla como por exemplo as fresas, têm poucos dentes.

Há três grandes famílias de ferramentas de corte para a usinagem do alumínio:

• Aço rápido (HSS)
• Metal duro (carburos metálicos) (widia)
• Diamante

• As ferramentas de aço rápido são apropriadas para a usinagem de ligas de alumínio com baixo conteúdo em silício. Permite o uso de grandes ângulos de desprendimiento para obter umas melhores condições de corte. O aço rápido é mais económico que o metal duro quando a maquinaria de que se dispõe não permite o uso das velocidades de corte alcanzables com o carburo metálico. Na usinagem de alumínios com elevado conteúdo de silício o desgaste deste tipo de ferramentas acelera-se. Estas ferramentas utilizam-se principalmente na indústria de carpintería metálica para a usinagem de perfis extrusionados.

• As ferramentas de metal duro (widia) oferecem a vantagem de uma maior duração da ferramenta. Empregam-se na usinagem de alumínios com elevado conteúdo em silício bem como para as usinagens a altas velocidades de corte. As fundições de alumínio, com a presença de cristais de silício de elevada dureza requerem obrigatoriamente o uso de ferramentas de carburo metálico. Dentro dos carburos metálicos os diferentes fabricantes têm diferentes faixas e qualidades, em função das condições de corte requeridas.

• As ferramentas de diamante caracterizam-se por sua elevada duração, inclusive se empregam-se na usinagem de ligas com um elevado conteúdo em silício. Costumam empregar-se para trabalhos de usinagem em peças que gerem muita viruta.^[21]

Referigeração da usinagem

Como lubrificante de corte para o alumínio é recomendável que se utilizem produtos emulsionables em água com aditivos de lubrificação especificamente formulados a tal fim que estejam exentos de compostos em base cloro e azufre A lubrificação se utiliza em operações de perfurado , torneado, fresagem, brochado, rebaixo e deformação.^[22]

Usinagem por electroerosión

As ligas de alumínio permitem sua usinagem por procedimentos de electroerosión que é um método inventado para a usinagem de peças complexas. Não obstante, este método não é do todo adequado para o alumínio, pois sua elevada conductividad térmica reduzem notavelmente a velocidade de eliminação do material, já de por si bastante lenta para este método.

Conhece-se como electroerosión a um processo de usinagem que utiliza a energia fornecida através de descargas eléctricas entre dois eléctrodos para eliminar material da peça de trabalho, sendo esta um dos eléctrodos.^[23]
Ao eléctrodo que faz as funções de ferramenta se lhe costuma denominar simplesmente eléctrodo enquanto ao eléctrodo sobre o qual se deseja levar a cabo o arranque se lhe conhece como peça de trabalho. Este sistema permite obter componentes com tolerâncias muito ajustadas a partir dos novos materiais que se desenham.

Solda

Os procedimentos de brasagem em alumínio podem ser ao arco eléctrico, baixo atmosfera inerte que pode ser argón, helio, por pontos ou por atrito .

• Há duas técnicas de solda ao arco de um lado a solda ao arco baixo atmosfera inerte com eléctrodo refractario ou procedimento TIG e de outro lado a solda ao arco baixo atmosfera inerte com eléctrodo consumible ou procedimento MIG.

A solda TIG (Tungsten Inert Gás), caracteriza-se pelo emprego de um eléctrodo permanente de tungsteno , aleado às vezes com torio ou zirconio em percentagens não superiores a um 2%. Dada a elevada resistência à temperatura do tungsteno (funde a 3.410 °C), acompanhada da protecção do gás, a ponta do eléctrodo mal se desgasta depois de um uso prolongado. Os gases mais utilizados para a protecção do arco nesta solda são o argón e o helio, ou misturas de ambos. Uma vareta de contribuição alimenta o banho de fusão. Esta técnica é muito utilizada para a solda de ligas de alumínio e utiliza-se em espessuras compreendidos entre 1 e 6 mm e pode-se robotizar o processo.

• No momento de executar uma solda a limpeza das peças é essencial. A sujeira, azeites, restos de gorduras, humidade e óxidos devem ser eliminados previamente, bem seja por meios mecânicos ou químicos. Os métodos de limpeza químicos requerem equipas caros para o tratamento superficial e não se podem usar sempre por esta razão.
• O gás inerte que mais se utiliza na solda normal nas oficinas é o argón puro, já que é bem mais económico e requer menor fluxo de gás. O helio usa-se só quando se exige maior penetración.
• Para manter livre de fumaças e gases a zona de solda, é aconselhável a instalação de extractores de fumaças e gases. A intensidade do arco é muito maior que na solda de aço e baixo nenhum conceito se deve olhar ao arco sem uma máscara de protecção adequada.

Solda de alumínio por atrito

A solda por atrito é um processo de penetración completa em fase sólida, que se utiliza para unir chapas de metal, principalmente de alumínio, sem atingir seu ponto de fusão. O método está baseado no princípio de obter temperaturas suficientemente altas para forjar dois componentes de alumínio, utilizando uma ferramenta giratória que se desloca ao longo de uma união a topo. Ao arrefecer-se deixa uma união em fase sólida entre as duas peças. A solda por atrito, pode ser utilizada para unir chapas de alumínio sem material de contribuição. Conseguem-se soldas de alta qualidade e integridade com muito baixa distorsión, em muitos tipos de ligas de alumínio, inclusive aquelas consideradas de difícil solda por métodos de fusão convencionais.^[24]

Dobrado

O alumínio apresenta-se no mercado em diversas formas, já sejam estas barras com diversos perfis ou folhas de vários tamanhos e espessuras entre outras. Quando se trabalha com alumínio, especificamente em criar algum doblez em uma folha, ou em uma parte desta, é importante considerar a direcção do grão; isto significa que a composição no metal, após ter sido fabricado, tem tomado uma tendência direccional em sua microestructura, mostrando assim uma maior longitude para uma direcção que para outra. Assim é que o alumínio pode se avariar se a direcção do grão não é considerada ao criar algum doblez, ou se o doblez é criado com uma rádio demasiado pequeno, o qual ultrapasse a integridade elástica do tipo de alumínio.

Tratamentos protectores superficiais

Anodizado

Este metal, após extruido ou decapado, para proteger da acção dos agentes atmosféricos, forma por si só um delgado filme de óxido de alumínio; esta capa da o₂Ou₃, tem uma espessura mais ou menos regular da ordem de 0,01 micras sobre a superfície de metal que lhe confere umas mínimas propriedades de inoxidacción e anticorrosión.^[25]

Existe um processo químico electrolítico chamado anodizado que permite obter de maneira artificial filmes de óxido de bem mais espessura e com melhores características de protecção que as capas naturais.

O processo de anodizado levado a cabo em um médio sulfúrico produz a oxidación do material desde a superfície para o interior, aumentando a capa de óxido de alumínio, com propriedades excelentes por resistência aos agentes químicos, dureza, baixa conductividad eléctrica e estrutura molecular porosa, esta última junto com as anteriores, que permite lhe dar uma excelente terminação, que é um valor determinante à hora de eleger um médio de protecção para este elemento.

Segundo seja a espessura da capa que se deseje obter existem dois processos de anodizados:

• Anodizados decorativos coloridos.

• Anodizados de endurecimento superficial

As vantagens que tem o anodizado são:

• A capa superficial de anodizado é mais duradoura que as capas obtidas por pintura.
• O anodizado não pode ser pelado porque faz parte do metal baseie.
• O anodizado dá-lhe ao alumínio uma aparência decorativa muito grande ao permitir colorir nas cores que se deseje.
• Ao anodizado não é afectado pela luz solar e por tanto não se deteriora.

Os anodizados mais comerciais são os que se utilizam coloridos por motivos decorativos. Empregam-se diversas técnicas de coloración tanto orgânicas como inorgánicas.

Anodizado duro

Quando se requer melhorar de forma sensível a superfície protectora das peças se procede a um denominado anodizado duro que é um tipo de anodizado onde se podem obter capas de ao redor de 150 micras, segundo o processo e a liga. A dureza destas capas é comparável à do cromo-duro, sua resistência à abrasión e ao frotamiento é considerável.

As propriedades do anodizado duro são:

• Resistência à abrasión: o que permite que tenha uma resistência ao desgaste superficial superior a muitos tipos de aço
• Resistência eléctrica. A alúmina é um aislante eléctrico de qualidade excelente, superior à da porcelana.
• Resistência química. A capa anódica protege eficazmente o metal baseie contra a acção de numerosos meios agressivos.
• Porosidad secundária ou abertura mais ou menos acusada na entrada dos poros devido ao efeito de dissolução do banho.

É muito importante à hora de seleccionar o material para um anodizado duro, verificar a peça que se vá a mecanizar e seleccionar a liga também em função de suas características e resistência mecânica.

Pintura

O processo de pintura de protecção que se dá ao alumínio é conhecido com o nome de lacado e consiste na aplicação de um revestimento orgânico ou pintura sobre a superfície do alumínio. Existem diferentes sistemas de lacado para o alumínio

O lacado, que se aplica aos perfis de alumínio, consiste na aplicação electrostática de uma pintura em pó à superfície do alumínio. As pinturas mais utilizadas são as de tipo poliéster por suas características da alta resistência que oferecem à luz e à corrosão.

Os objectivos do lacado são:

• Melhorar o aspecto estético e as propriedades físicas do alumínio.

O processo de lacado, pode dividir-se em três partes:

• Limpeza das peças
• Imprimación de pintura
• Polimerizado

O processo de lacado exige uma limpeza profunda da superfície do material, com dissoluções acuosas ácidas, para eliminar sujeiras de tipo graso. Este processo consegue uma maior adherencia às pinturas. Melhora a resistência à corrosão e aos agentes atmosféricos.

A imprimación com a pintura desejada realiza-se em cabines equipadas com pistolas electrostáticas. A pintura é pó de poliéster, sendo atraído pela superfície da peça que se laca. Combinando todos os parámetros da instalação se conseguem as capas de espessura requeridas que nos casos de carpintería metálica costuma oscilar entre 60/70 micras.

O polimerizado realiza-se em um forno de convenção de ar, de acordo com as especificações de tempo e temperatura definidos pelo fabricante da pintura.

O sistema industrial de lacado pode estar robotizado.^[26]

Corrosão do alumínio

O alumínio metálico recobre-se espontaneamente de uma delgada capa de óxido que evita sua corrosão. No entanto, esta capa desaparece em presença de ácidos, particularmente do perclórico e clorhídrico; assim mesmo, em soluções muito alcalinas de hidróxido potásico (KOH) ou hidróxido sódico (NaOH) ocorre uma enérgica reacção. A presença de CuCl₂ ou CuBr₂ também destrói o óxido e faz que o alumínio se dissolva energicamente em água. Com mercurio e sais deste, o alumínio reage se está limpo formando uma amalgama que impede sua pasivación. Reage também energicamente em frio com bromo e em quente com muitas substâncias, dependendo da temperatura, reduzindo a quase qualquer óxido (processo termita). É atacado pelos haloalcanos. As reacções do alumínio com frequência vão acompanhadas de emissão de luz.^[27]

Não obstante, as ligas de alumínio comportam-se bastante pior a corrosão que o alumínio puro, especialmente se levam tratamentos de recozido, com os que apresentam problemas graves de corrosão intercristalina e baixo tensões devido à microestructura que apresentam nestes estados.

Reciclaje. Alumínio secundário

O reciclado de um material é a única alternativa que existe para danificar o menos possível o médio ambiente e não nos ver rodeados de montões de chatarra e residuos.

O alumínio é 100% reciclable sem merma de suas qualidades físicas, e sua recuperação por médio do reciclaje converteu-se em uma faceta importante da indústria do alumínio. O processo de reciclaje do alumínio precisa pouca energia. O processo de refundido requer só um 5% da energia necessária para produzir o metal primário inicial.

O reciclaje do alumínio foi uma actividade de baixo perfil até finais dos anos sessenta, quando o uso crescente do alumínio para a fabricação de batas de refrescos trouxe o tema ao conhecimento da opinião pública.

Na Europa, o alumínio desfruta de taxas de reciclado altas que oscilam entre o 42% das batas de bebidas e o 85% da construção e o 95% do transporte.^[28]

Ao alumínio reciclado conhece-se-lhe como alumínio secundário, mas mantém as mesmas propriedades que o alumínio primário. O alumínio secundário produz-se em muitos formatos e emprega-se em um 80% para ligas de inyección. Outra aplicação importante é para a extrusão. Além de ser mais baratos, os secundários são tão bons como os primários. Também têm as certificaciones ISO 9000 e ISO 14000.

A fundição de alumínio secundário implica sua produção a partir de produtos usados de dito metal, os que são processados para recuperar metais por pretratamiento, fundição e refinado.

Utilizam-se combustíveis, fundentes e ligas, enquanto a remoción do magnésio pratica-se mediante a adição de cloro, cloruro de alumínio ou compostos orgânicos clorados.^[29]

Melhore-las técnicas disponíveis incluem:

• Fornos de alta temperatura muito avançados.
• Alimentação livre de azeites e cloro.
• Câmara de combustão secundária com enfriamiento brusco
• Adsorción com carvão activado.
• Filtros de teia para eliminação de pós.

Durante o ano 2002 produziram-se em Espanha 243.000 toneladas de alumínio reciclado e no conjunto da Europa ocidental esta cifra ascendeu a 3,6 milhões de toneladas.^[30]

Para proceder ao reciclaje do alumínio primeiro há que realizar uma revisão e selecção da chatarra segundo sua análise e metal recuperable para poder conseguir a liga desejada. A chatarra preferivelmente se compactará, geralmente em cubos ou briquetas ou se fragmentará, o qual facilita seu armazenamento e transporte. A preparação da chatarra descartando os elementos metálicos não desejados ou os inertes, levarão a que se consiga a liga no forno de maneira mais rápida e económica.

O residuo de alumínio é fácil de manejar porque é ligeiro, não arde e não se oxida e também é fácil de transportar. O alumínio reciclado é um material cotado e rentable. O reciclaje de alumínio produz benefícios já que proporciona ocupação e uma fonte de rendimentos para mão de obra não qualificada.^[31]

Toxicidad

Este metal foi considerado durante muitos anos como inocuo para os seres humanos. Devido a esta suposição fabricaram-se de forma em massa utensilios de alumínio para cozinhar alimentos, envases para alimentos, e papel de alumínio para o embalaje de alimentos frescos. No entanto, seu impacto sobre os sistemas biológicos tem sido objecto de muita controvérsia nas décadas passadas e uma profusa investigação tem demonstrado que pode produzir efeitos adversos em plantas, animais acuáticos e seres humanos.^[32]

A exposição ao alumínio pelo geral não é daninha, mas a exposição a altos níveis pode causar sérios problemas para a saúde.

A exposição ao alumínio produz-se principalmente quando:

• Consomem-se medicamentos que contenham altos níveis de alumínio.
• Se inhala pó de alumínio que esteja na zona de trabalho.
• Vive-se onde se extrai ou processa alumínio.
• Colocam-se vacinas que contenham alumínio.

Qualquer pessoa pode intoxicar-se com alumínio ou seus derivados, mas algumas pessoas são mais propensas a desenvolver toxicidad por alumínio.^[33]

O alumínio e os solos

Em alguns solos do mundo o alumínio tende a concentrar-se em alguns dos horizontes do perfil, lhe outorgando características muito particulares. Dos 11 ordens de solos que se reconhecem segundo a classificação do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, dois deles apresentam uma alta concentração de alumínio: os oxisoles, que se desenvolvem em latitudes tropicais e subtropicales e os spodosoles, que se acham em climas frios e baixo vegetación de coníferas.^[34] Neste tipo de solos o conteúdo em nutrientes disponíveis para as plantas é baixo, só o magnésio pode ser abundante em alguns casos; ademais seu elevado conteúdo em alumínio agrava o problema por seu toxicidad para as plantas. Nas regiões tropicais e subtropicales nas que se apresentam estes solos o habitual é que se cultivem plantas com baixas necessidades nutritivas e com forte resistência ao alumínio, tais como o chá, o caucho e a palma de azeite.^[35]

Veja-se também

• Anodizado
• Aluminosis
• Ligas de alumínio
• Ligas ligeiras

Referências

A maioria de referências que se citam a seguir se referem a artigos técnicos realizados por empresas dedicadas a diferentes processos relacionados com o alumínio, nestes enlaces o leitor pode encontrar de foma bem mais desenvolvida os processos relacionados com o alumninio e suas ligas. Também se faz referência a trabalhos realizados por diversos pesquisadores.

Bibliografía

• Millán Gómez, Simón (2006). Procedimentos de Usinagem, Madri: Editorial Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
• William F. Smith (1998). Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais, Madri: Editorial Mc Graw Hill. ISBN 84-481-1429-9.
• Sandvik Coromant (2006). Guia Técnica de Usinagem, AB Sandvik Coromant 2005.10.
• Larburu Arrizabalaga, Nicolás (2004). Máquinas. Prontuario. Técnicas máquinas ferramentas., Madri: Thomson Editores. ISBN 84-283-1968-5.
• Vários autores (1984). Enciclopedia de Ciência e Técnica, Salvat Editores S.A. ISBN 84-345-4490-3.
• Hufnagel, W. (1992). Manual do Alumínio, [Coca, Pedro] tr., 2ª edição edição, Barcelona: Editorial Reverté, S.A.. ISBN 84-291-6011-6.

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Alumínio.Commons
• Preços históricos do alumínio, de acordo ao FMI
• Origem da indústria do Alumínio
• ATSDR em Espanhol – ToxFAQs™: Alumínio
• ATSDR em Espanhol – Resumem de Saúde Pública: Alumínio
• Aluportal – O portal do alumínio
• Portal do Ferro e Alumínio
• Toxicidad por alumínio

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