Fundição de Alumínio: Da Produção de Rodas a Aplicações Aeroespaciais

Extração, processamento e fundição em fundições

A crescente popularidade do alumínio

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante no mundo e o metal mais abundante na crosta terrestre, representando mais de 8% da massa do núcleo do planeta. No entanto, sua refinação é mais difícil comparada a outros metais, como o ferro. Por isso, o uso do alumínio ficou atrás de outros produtos metálicos até que métodos eficientes e econômicos fossem desenvolvidos para superar essas complexidades.

Existem muitas semelhanças entre as indústrias de alumínio e aço. Ambas dependem da extração de metais de minérios encontrados na superfície terrestre. Os processos de fabricação de ambos são intensivos em energia e envolvem o vazamento de metal líquido em moldes ou o uso de máquinas de lingotamento contínuo. Alumínio e aço também competem em mercados semelhantes para as indústrias automotiva e aeroespacial. Contudo, há diferenças significativas no processamento e nas propriedades desses metais.

Processamento do alumínio

A bauxita é uma rocha sedimentar com alto teor de alumínio, tipicamente entre 46% e 60%. Frequentemente, a bauxita está coberta por vários metros de rocha e argila, que devem ser removidos antes da recuperação do minério. A bauxita passa então por plantas de britagem ou lavagem antes de ser transportada para processamento.

Em meados da década de 1880, dois métodos distintos foram inventados e usados em série para produzir alumínio. O método Bayer utiliza um processo químico para extrair alumínio da bauxita. O processo Hall-Héroult usa eletrólise para extrair alumínio da alumina ou óxido de alumínio produzido pelo processo Bayer.

Processo Bayer

O minério de bauxita é britado e misturado com soda cáustica para produzir uma lama contendo partículas finas de minério. A lama é mantida a temperaturas entre 140°C e 280°C, dependendo do minério específico. Nesse período, o alumínio se dissolve na solução de soda cáustica. Todas as impurezas precipitam da solução formando um resíduo chamado lama vermelha.

A etapa final do processo é a adição de cristais-semente à solução de soda cáustica. A alumina dissolvida adere a esses cristais-semente. O produto final do processo Bayer é a alumina ou óxido de alumínio, que tem a aparência de um pó branco.

Processo Hall-Héroult

A unidade de redução de uma fábrica de alumínio consiste em cubas ou células de redução conectadas em série. Cada cuba é feita de uma carcaça de aço revestida com carbono. Criolita fundida (um mineral fluorado) contendo óxido de alumínio é vazada em cada cuba e eletrodos de carbono são inseridos na solução pelo topo. À medida que a corrente passa pela solução de criolita, o alumínio se separa do oxigênio, formando gás dióxido de carbono. O alumínio líquido se acumula no fundo da cuba.

O alumínio líquido é então sugado das cubas de redução em intervalos regulares para baldes a vácuo. Este é transferido para um forno e fundido em lingotes em moldes, ou por uma máquina de lingotamento contínuo. O alumínio produzido por este processo tem pureza aproximada de 99,8%. O processo eletrolítico de produção de alumínio é muito intensivo em energia, exigindo 15 MWh por tonelada de produção. A maioria das fundições está, portanto, localizada próxima a geradores de energia, como usinas hidrelétricas.

Fundição de alumínio

Uma vez extraído e processado, o próximo passo envolve fundir o alumínio na forma do produto. As fundições de alumínio são formadas pelo vazamento de metal fundido em moldes moldados por um modelo do produto final desejado. Três métodos comuns de moldagem são usados para produzir fundições: fundição sob pressão, fundição em molde permanente e fundição em areia.

Fundição sob pressão

A fundição sob pressão usa pressão para forçar o alumínio fundido em um molde de aço. Este tipo de fundição é frequentemente usado para produção em massa de peças que requerem quantidade mínima de acabamento e usinagem. A fundição sob pressão tem ciclos curtos, mas custos elevados de ferramentas. O sistema de vazamento pressurizado cria uma pele de alta resistência, mas interior mais fraco que a fundição em molde permanente. Existem dois tipos de fundição sob pressão: baixa pressão e alta pressão.

FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO

BAIXA PRESSÃO

ALTA PRESSÃO

Bons valores de resistência

Menores valores de resistência

Adequada para automação

Adequada para automação

Tecnologia de molde e máquina simples

Moldes complexos e caros

Ciclos de fundição mais lentos

Ciclos de fundição curtos

Menores custos de investimento e operação

Altos custos de investimento e operação

Espessura mínima de parede de aproximadamente 3 mm

Adequada para componentes de paredes finas

Fundição em molde permanente

A fundição em molde permanente usa moldes e machos de aço ou outros metais. Fundições resistentes são formadas pelo vazamento de alumínio no molde. Moldes permanentes criam peças altamente repetíveis com consistência. Suas taxas de resfriamento rápidas geram uma microestrutura mais consistente, o que pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas.

A fundição em molde permanente é usada para criar rodas de liga. Rodas de alumínio também são mais leves que rodas de aço, exigindo menos energia para girar. Proporcionam maior eficiência de combustível, bem como melhor dirigibilidade, aceleração e frenagem. No entanto, para aplicações industriais pesadas em trilhos, rodas de aço são mais comumente usadas. Sua durabilidade as torna quase impossíveis de dobrar ou rachar. Quando usadas em trilhos, rodas de aço são mais tolerantes a irregularidades da via, aumentando a segurança.

Fundição em areia

As fundições em areia são criadas compactando uma mistura de areia fina ao redor de um modelo do produto desejado. O modelo é ligeiramente maior que o produto final para permitir a contração do alumínio durante o resfriamento. A fundição em areia é econômica porque a areia pode ser reutilizada múltiplas vezes. Também é eficaz para criar moldes grandes ou com designs detalhados. Os custos iniciais de ferramentas são baixos, mas os preços por peça são mais altos, tornando a fundição em areia adequada para fundições especializadas em vez de produção em massa.

O controle do alumínio fundido tem impacto direto na qualidade da fundição alcançada. Elementos de liga são adicionados ao alumínio fundido para atingir o grau e as propriedades desejadas. A adição e distribuição controladas da liga por todo o alumínio garantirão que o produto seja sólido e com as propriedades mecânicas esperadas.

O alumínio se solidifica com uma estrutura de grãos colunares. Essas colunas crescem até o ponto de contato com outro grão — quanto mais grãos, mais fina a estrutura molecular. O refinamento de grãos usa titânio e boro para criar sítios de nucleação de grãos e alcançar essa estrutura fina.

O gás hidrogênio é uma impureza que pode causar defeitos na fundição de alumínio criando poros durante a solidificação do produto. Durante a fundição, gases de desgasificação e purga são necessários para manter o ambiente livre de impurezas que possam impactar negativamente o produto final.

Ligas de fundição

Uma ampla gama de ligas de fundição está disponível para atender à aplicação final. Cada uma dessas ligas tem suas próprias características, como soldabilidade, usinabilidade, resistência à corrosão e propriedades de tratamento térmico.

O alumínio fundido tem várias características que podem ser controladas para maximizar as propriedades de fundição. O alumínio fundido tende a absorver gás hidrogênio e óxidos no estado fundido, e pode ser sensível a elementos traço menores. Embora algumas fundições decorativas ou comerciais possam não requerer processamento adicional, acabamentos adicionais são frequentemente benéficos. Controle rigoroso da fusão e técnicas especializadas de processamento de metal fundido podem proporcionar propriedades mecânicas aprimoradas.

Acabamentos e revestimentos de alumínio

Um dos atrativos estéticos do alumínio é sua alta refletividade. Essa característica tem sido explorada para criar produtos de consumo de alta qualidade com acabamento superficial limpo. Isso é ainda aprimorado pela formação natural de uma fina camada de óxido na superfície. Essa camada pode ser engrossada por anodização do produto. A presença da camada de óxido sela efetivamente o alumínio contra oxidação adicional, tornando-o muito resistente à corrosão. Vários acabamentos e revestimentos podem ajudar o alumínio a alcançar essa qualidade lustrosa e durável.

Acabamentos

Certas ligas de alumínio são tratadas termicamente para aprimorar suas propriedades para aplicações específicas. O alumínio fundido sólido é aquecido a uma temperatura predeterminada, o que faz com que a microestrutura molecular se distribua uniformemente pelo material. O resfriamento rápido faz com que o padrão da microestrutura permaneça no lugar e as propriedades ideais sejam alcançadas.

Ligas que não podem ser tratadas termicamente são acabadas por trabalho a frio, principalmente laminação. A resistência do metal é grandemente aprimorada à medida que imperfeições na microestrutura são minimizadas pela compactação apertada das moléculas.

Revestimentos

O alumínio tem um acabamento superficial de alta qualidade que já é esteticamente agradável. No entanto, diferentes revestimentos podem oferecer benefícios adicionais ao acabamento.

Revestimentos PVDF

Revestimentos PVDF são tintas à base de solvente com altíssima resistência à intempérie. No entanto, podem ser riscados. O PVDF não desbota com a exposição à luz solar e pode ser feito com aparência metálica.

Tintas líquidas

Tintas líquidas são mais econômicas que revestimentos PVDF, mas suas propriedades também são menos desejáveis. Têm acabamento de qualidade inferior e resistência à intempérie não tão forte.

Revestimentos em pó

Revestimentos em pó atendem às especificações de durabilidade mais rigorosas no mesmo nível dos revestimentos PVDF. Têm excelente aparência de acabamento e são populares em aplicações de construção para janelas e batentes de portas, bem como para mobiliário urbano como bolardos e bicicletários. Suportam mais desgaste e são frequentemente especificados em áreas de alto tráfego, como hotéis e lojas.

Anodização

A anodização é usada para engrossar a camada de óxido na superfície e aprimorar a resistência à corrosão do produto. O revestimento é duro, durável e autorreparável, tornando-o uma escolha popular para arquitetos. O processo de anodização é realizado usando uma sequência de tanques de imersão.

Propriedades do alumínio

O alumínio é bem conhecido por ser leve. Na verdade, é quase três vezes mais leve que o ferro, com densidade de 2.700 kg/m³. Notavelmente, a baixa densidade do alumínio não afeta sua resistência. Ligas de alumínio têm uma ampla gama de características de resistência com resistências à tração variando de 70 a 700 MPa. Em baixas temperaturas, a resistência do alumínio aumenta, enquanto em altas temperaturas, diminui.

O alumínio também pode ser facilmente usinado, e a potência necessária é baixa devido à menor densidade. Os altos níveis de maleabilidade do alumínio dão a ele a capacidade de ser extrudado facilmente. Isso permite que o produto seja dobrado e laminado, sendo uma característica chave na criação de folhas de alumínio.

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Qualidade e normas do alumínio

Produtos de alumínio são certificados de acordo com o material de liga usado no produto. Os elementos de liga mais comuns incluem:

• Silício
• Ferro
• Cobre
• Magnésio
• Zinco

ALUMÍNIO CATEGORIZADO EM SÉRIES COM PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES

SÉRIE	% ALUMÍNIO	LIGA	TRATÁVEL TERMICAMENTE	PROPRIEDADES	APLICAÇÕES
1xxx	>99,xx			Excelente resistência à corrosão e trabalhabilidade Alta condutividade térmica e elétrica	Transmissões Linhas de rede elétrica
2xxx	>99,xx	Cobre	Sim	Alta resistência e tenacidade Menor resistência à corrosão	Aeronaves
3xxx	>99,xx	Manganês	Não	Resistência moderada Boa trabalhabilidade	Trocadores de calor Utensílios de cozinha Latas de bebidas
4xxx	>99,xx	Silício	Não	Ponto de fusão mais baixo sem fragilidade	Arames de solda Varas de brasagem
5xxx	>99,xx	Magnésio	Não	Resistência moderada a alta Resistência à corrosão em ambiente marinho Boa soldabilidade	Construção civil Tanques de armazenamento Vasos de pressão Aplicações marítimas
6xxx	>99,xx	Silício e Magnésio	Sim	Resistência moderadamente alta Excelente resistência à corrosão Alta soldabilidade	Arquitetônico Estrutural Caminhões Estruturas marítimas
7xxx	>99,xx	Zinco	Sim	Resistência muito alta	Aeronaves Apple Watches

Saúde e segurança

Durante o processo Hall-Héroult, grandes quantidades de gases são emitidos. Esses gases são capturados e tratados, pois os compostos tóxicos de fluoreto devem ser removidos antes de serem liberados na atmosfera. O processo de produção de alumínio gera CO₂, resultando em uma pegada de carbono maior para produtos de alumínio. Muitos fabricantes localizam as fundições de alumínio junto a fontes de energia renovável, como usinas hidrelétricas, em vez de gerar eletricidade a partir de combustíveis fósseis.

Na sua forma solúvel, Al³⁺, o alumínio é tóxico para plantas. Solos ácidos tendem a acelerar a liberação de Al³⁺ de seus minerais e reduzem a produtividade desses campos. Como quase metade das terras aráveis do mundo é ácida, o impacto negativo do alumínio na produtividade das culturas pode ser severo.

O corpo humano também pode ser afetado pelo alumínio. Efeitos na saúde do acúmulo de alumínio incluem maior risco de doença de Alzheimer e alguns cânceres, embora não comprovados conclusivamente. Em altas concentrações, o alumínio é uma neurotoxina, que atua no cérebro e na estrutura óssea. O alumínio é encontrado em fermentantes, agentes emulsionantes e corantes, bem como em alguns antiácidos.

Aplicações do alumínio

O alumínio é um metal versátil com acabamento luminoso que atende a um mercado diversificado, incluindo vários bens comerciais e domésticos.

Aeroespacial

Avanços na indústria aeroespacial dependem substancialmente do desenvolvimento de produtos de alumínio. Sua combinação de propriedades, especialmente leveza e resistência, permitiu que a humanidade desenvolvesse veículos fortes e leves o suficiente para escapar da atmosfera terrestre. Os irmãos Wright usaram alumínio no cárter do motor de seu primeiro biplano de estrutura de madeira. Aviões de transporte comercial modernos consistem em 80% de alumínio — encontrado principalmente em suas estruturas, especialmente fuselagens e asas. O alumínio é amplamente usado na indústria espacial para ônibus e estruturas na estação espacial internacional.

Construção e arquitetura

Redes de energia e linhas de transmissão elétrica migraram para alumínio em vez de cobre como base. Isso se deve à excelente condutividade e leveza para extensões longas de cabos. Ligas de alumínio também são usadas na construção para fornecer estruturas resistentes que suportam o peso significativo de grandes painéis de vidro. Arquitetos usam essas características extensivamente em aeroportos e arranha-céus.

Mobiliário urbano

Embora a maioria dos mobiliários urbanos (bancos, lixeiras, bicicletários) seja fixa no lugar, bolardos removíveis são dispositivos de orientação de tráfego que podem ser colocados para impedir acesso de veículos ou removidos para permiti-lo. O alumínio é frequentemente usado para aplicações de bolardos removíveis devido à leveza do metal; é muito mais fácil para a equipe de eventos movê-los para dentro ou fora do lugar.

Alimentos e bebidas

Alimentos e bebidas enlatados são outro mercado onde o alumínio dominou. Latas de alumínio gelam rapidamente e fornecem uma superfície altamente imprimível. Os altos níveis de reciclabilidade também tornam o alumínio uma combinação atraente para esta indústria. Eles também protegem o sabor e a integridade do conteúdo selado devido à sua proteção contra oxigênio, luz e outros contaminantes.

Eletrodomésticos e tecnologia

Eletrodomésticos também se beneficiaram das propriedades do alumínio. Suas propriedades térmicas o tornam ideal para aplicações de refrigeração, enquanto a leveza permite que os eletrodomésticos sejam facilmente movidos e transportados. Com o desenvolvimento do acabamento "alumínio escovado", produtos altamente estéticos podem ser criados para o mercado de alto padrão. A empresa de tecnologia Apple liderou o caminho na criação de laptops de alumínio, feitos de um único bloco de alumínio. TVs de tela plana também se beneficiam da propriedade leve do alumínio; um produto de aço equivalente seria pesado demais para pendurar na parede.

Automotivo

Fabricantes de carros estão sob mais pressão para reduzir a pegada de carbono de seus veículos. Estruturas, painéis de carroceria e motores leves de alumínio ajudam nessa causa melhorando a economia de combustível. Existem também outros benefícios ambientais, pois quase 90% da sucata de alumínio automotivo é coletada para reciclagem.

Reciclagem de alumínio

A maioria do alumínio pode ser reciclada. Latas de bebidas e peças automotivas são indústrias de alta captação onde o material é coletado e reciclado efetivamente. Uma vez coletado, o alumínio usado é levado a uma instalação de tratamento, onde é classificado em diferentes graus e limpo. O metal é então fundido para remover revestimentos, tintas e outras impurezas. Nesta etapa, ligas podem ser adicionadas conforme necessário, após o que é fundido em lingotes. Esses lingotes podem ser fornecidos a fundições para fundição, ou enviados a outros fabricantes para processamento adicional. Alumínio reciclado pode retornar ao mercado como novos produtos em apenas seis semanas.

Limpeza e manutenção do alumínio

A maioria dos produtos de alumínio pode ser mantida limpa usando água pura ou sabão ou detergente suave. Onde as manchas são mais persistentes, terebintina pode ser usada ou um limpador químico não corrosivo. Para maior poder de limpeza, ceras à base de cera, ceras abrasivas ou limpadores abrasivos podem ser usados. É importante secar produtos de alumínio após a limpeza para evitar riscos, e resíduos de limpeza devem ser removidos de bordas e juntas.

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