Aros, latas e aviões:alumínio e peças fundidas de alumínio

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. O alumínio contribui para mais de 8% da massa do núcleo da Terra. No entanto, é difícil refinar em comparação com outros metais, como o ferro. Por esta razão, o uso de alumínio ficou para trás de outros produtos metálicos, enquanto métodos eficientes e econômicos foram desenvolvidos para superar essas complexidades.

Existem muitas semelhanças entre as indústrias de alumínio e aço. Ambos dependem da extração de metais de minérios que ocorrem na superfície da terra. 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 a indústria automotiva e aeroespacial. No entanto, existem diferenças significativas no processamento e propriedades desses metais.

Processamento de alumínio

A bauxita é uma rocha sedimentar com alto teor de alumínio; normalmente, cerca de 46-60%. A bauxita é frequentemente coberta por vários metros de rocha e argila, que devem ser removidas antes que a bauxita possa ser recuperada. 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 usa um processo químico para extrair alumínio da bauxita. O processo Hall-Heroult usa eletrólise para extrair alumínio da alumina ou óxido de alumínio produzido pelo processo Bayer.

Processo Bayer

O minério de bauxita é triturado e misturado com soda cáustica para produzir uma pasta contendo partículas finas de minério. A pasta é mantida em temperaturas entre 140˚C–280˚C, dependendo do minério específico que está sendo processado. Durante esse tempo, o alumínio se dissolve na solução de soda cáustica. Todas as impurezas se depositam da solução em um resíduo chamado lama vermelha.

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

Processo Hall-Heroult

A unidade de redução de uma fábrica de alumínio consiste em potes ou células de redução que são conectados em série. Cada pote é feito de uma casca de aço forrada com carbono. A criolita fundida (um mineral de flúor) contendo óxido de alumínio é despejada em cada pote e eletrodos de carbono são inseridos na solução a partir do topo. À medida que a corrente passa pela solução de criolita, o alumínio se separa do oxigênio, formando o gás dióxido de carbono. O alumínio líquido se acumula no fundo da panela.

A alumina líquida é então sugada dos potes de redução em intervalos regulares para baldes a vácuo. Este é transferido para um forno e vazado em lingotes em moldes, ou por uma máquina de lingotamento contínuo. O alumínio produzido através deste processo é aproximadamente 99,8% puro. O processo eletrolítico para produção de alumínio é muito intensivo em energia, exigindo 15 MWH por tonelada de produção. A maioria das fundições está, portanto, localizada próximo a um gerador de energia, como usinas hidrelétricas.

Fundição de alumínio

Uma vez que o alumínio foi extraído e processado, o próximo passo envolve lançá-lo na forma de produto. As peças fundidas de alumínio são formadas por vazamento de metal fundido em moldes que foram moldados por um padrão do produto final desejado. Três tipos comuns de métodos de moldagem são usados ​​para produzir peças fundidas:fundição sob pressão, fundição em molde permanente e fundição em areia.

Fundição em molde

A fundição sob pressão usa pressão para forçar o alumínio fundido em uma matriz de aço. Este tipo de fundição é frequentemente utilizado para a produção em massa de peças, que requerem uma quantidade mínima de acabamento e usinagem. A fundição sob pressão tem tempos de ciclo curtos, mas altos custos de ferramental. O sistema de fundição pressurizada cria uma pele de alta resistência, mas um interior mais fraco do que a fundição em molde permanente. Existem dois tipos de fundição sob pressão:fundição de baixa pressão e alta pressão.

FUNDIÇÃO DE FUNDO

BAIXA PRESSÃO

ALTA PRESSÃO

Bons valores de força

Valores de força mais baixos

Adequado para automação

Adequado para automação

Tecnologia simples de matriz e máquina

Matrizes complicadas e caras

Ciclos de fundição mais lentos

Ciclos de fundição curtos

Menor investimento e custos operacionais

Alto investimento e custos operacionais

Espessura mínima da parede de aproximadamente 3 mm

Adequado para componentes de paredes finas

Fundição de molde permanente

A fundição em molde permanente usa moldes e núcleos de aço ou outros metais. Fundições fortes são formadas despejando alumínio no molde. Os moldes permanentes são usados ​​para criar peças altamente repetíveis com consistência. Suas rápidas taxas de resfriamento geram uma microestrutura mais consistente, que pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas.

A fundição de molde permanente é usada para criar rodas de liga leve. As rodas de alumínio também são mais leves que as rodas de aço, exigindo menos energia para girar. Eles proporcionam maior eficiência de combustível, bem como melhor manuseio, aceleração e frenagem. No entanto, para aplicações de esteiras industriais pesadas, as rodas de aço são mais comumente usadas. Sua durabilidade os torna quase impossíveis de dobrar ou rachar. Quando usadas em uma pista, as rodas de aço são mais tolerantes às irregularidades da pista, aumentando a segurança.

Fundição na areia

As fundições de areia são criadas empacotando uma mistura de areia fina em torno de um padrão do produto desejado. O padrão é ligeiramente maior que o produto final para permitir o encolhimento do alumínio durante o resfriamento. A fundição em areia é econômica porque a areia pode ser reutilizada várias vezes. Também é eficaz para criar molduras grandes ou com desenhos 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 relação à produção em massa.

O controle do alumínio fundido tem influência direta na qualidade da fundição alcançada. Elementos de liga são adicionados ao alumínio fundido para atingir o grau de alumínio e as propriedades desejadas. A adição e distribuição controlada da liga em todo o alumínio garantirá que o produto seja sólido e com as propriedades mecânicas esperadas.

O alumínio solidifica com uma estrutura de grão colunar. Essas colunas crescem até o ponto de contato com outro grão – quanto mais grãos, mais fina é a estrutura molecular. O refino de grãos usa titânio e boro para criar sítios de núcleo de grão para alcançar essa estrutura fina.

O gás hidrogênio é uma impureza que pode causar defeitos na fundição de alumínio, criando poros à medida que o produto se solidifica. Durante a fundição, gases de desgaseificação e purga são necessários para manter o ambiente livre de quaisquer impurezas que possam impactar negativamente o produto final.

Ligas de fundição

Uma ampla gama de ligas de fundição está disponível para atender a aplicação final. Cada uma dessas ligas de fundição 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 é propenso a pegar gás hidrogênio e óxidos no estado fundido e pode ser sensível a oligoelementos menores. Embora alguns fundidos decorativos ou comerciais possam não exigir processamento adicional, o acabamento adicional geralmente é benéfico. O controle rígido de fusão e técnicas especializadas de processamento de metal fundido podem fornecer propriedades mecânicas aprimoradas.

Acabamentos e revestimentos de alumínio

Um dos apelos estéticos do alumínio é sua alta refletividade. Esta característica foi explorada para fazer produtos de consumo de alta qualidade com um acabamento de superfície limpo. Isso é reforçado pela formação natural de uma fina camada de óxido na superfície. Esta camada pode ser mais espessa anodizando o produto. A presença da camada de óxido efetivamente sela o alumínio de mais oxidação, tornando-o muito resistente à corrosão. Vários acabamentos e revestimentos podem ajudar o alumínio a alcançar essa qualidade brilhante e durável.

Termina

Certas ligas de alumínio são tratadas termicamente para melhorar suas propriedades para aplicações específicas. O alumínio fundido sólido é aquecido a uma temperatura predeterminada, o que faz com que a microestrutura molecular fique distribuída uniformemente por todo o material. O resfriamento rápido então faz com que o padrão de microestrutura permaneça no lugar e as propriedades ideais sejam alcançadas.

As ligas que não podem ser tratadas termicamente são acabadas por trabalho a frio, principalmente por laminação. A resistência do metal é grandemente aumentada, pois as imperfeições na microestrutura são minimizadas pela compactação das moléculas.

Revestimentos

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

Revestimentos de PVDF

Os revestimentos PVDF são tintas à base de solventes com uma resistência muito alta às intempéries. No entanto, eles podem ser arranhados. O PVDF não desbota com a exposição à luz solar e pode ser feito com aparência metálica.

Tintas líquidas

As tintas líquidas são mais econômicas que os revestimentos de PVDF, mas suas propriedades também são menos desejáveis. Têm um acabamento de qualidade inferior e a resistência às intempéries não é tão forte.

Revestimentos em pó

Os revestimentos em pó atendem às especificações de durabilidade mais rigorosas no mesmo nível dos revestimentos PVDF. Eles têm excelente aparência de acabamento e são populares em aplicações de construção para caixilhos de janelas e portas, bem como para móveis de locais, como postes de amarração e bicicletários. Eles suportam mais desgaste e geralmente são especificados em áreas de alto tráfego, como hotéis e lojas.

Anodização

A anodização é usada para engrossar a camada superficial oxidada e aumentar a resistência à corrosão do produto. O revestimento é duro, durável e auto-reparável, 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 conhecido por ser leve. Na verdade, é quase três vezes mais leve que o ferro, com densidade de 2.700 kg/m ³ . Notavelmente, a baixa densidade do alumínio não afeta sua resistência. As ligas de alumínio têm uma ampla gama de características de resistência com resistências à tração que variam 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 elevados níveis de maleabilidade do alumínio conferem-lhe a capacidade de ser facilmente extrudido. Isso permite que o produto seja dobrado e enrolado, e é uma característica fundamental na criação de folhas de alumínio.

https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov

Qualidade e padrões de alumínio

Os produtos de alumínio são certificados de acordo com o material de liga utilizado no produto. Os elementos de liga mais comuns incluem o seguinte:

• Silicone
• Ferro
• Cobre
• Magnésio
• Zinco

ALUMÍNIO CATEGORIZADO EM SÉRIE COM PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES

SÉRIE

% ALUMÍNIO

LIGA

TRATÁVEL TÉRMICO

PROPRIEDADES

APLICATIVOS

1xyz

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• Excelente resistência à corrosão e trabalhabilidade
• Alta condutividade térmica e elétrica

• Transmissões
• Linhas da rede elétrica

2xyz

>99.yz

Cobre

Sim

• Alta resistência e tenacidade
• Menor resistência à corrosão

• Aeronaves

3xyz

>99.yz

Manganês

Não

• Força moderada
• Boa trabalhabilidade

• Permutadores de calor
• Utensílios de cozinha
• Latas de bebidas

4xyz

>99.yz

Silício

Não

• Baixo ponto de fusão sem fragilidade

• Fios de solda
• Varas de brasagem

5xyz

>99.yz

Magnésio

Não

• Resistência moderada a alta
• Resistência à corrosão em ambiente marinho
• Boa soldabilidade

• Construção e construção
• Tanques de armazenamento
• Recipientes de pressão
• Aplicativos marítimos

6xyz

>99.yz

Silício e Magnésio

Sim

• Alta resistência moderada
• Excelente resistência à corrosão
• Alta soldabilidade

• Arquitetura
• Estrutura
• Caminhões
• Quadros marinhos

7xyz

>99.yz

Zinco

Sim

• Resistência muito alta

• Aeronaves
• Relógios da Apple

SÉRIE

% ALUMÍNIO

1xyz

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4xyz

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SÉRIE

LIGA

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Cobre

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Manganês

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Silício

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Magnésio

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Silício e Magnésio

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Zinco

SÉRIE

TRATÁVEL TÉRMICO

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Sim

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Não

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Não

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Sim

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SÉRIE

PROPRIEDADES

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• Excelente resistência à corrosão e trabalhabilidade
• Alta condutividade térmica e elétrica

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• Alta resistência e tenacidade
• Menor resistência à corrosão

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• Força moderada
• Boa trabalhabilidade

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• Baixo ponto de fusão sem fragilidade

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• Resistência moderada a alta
• Resistência à corrosão em ambiente marinho
• Boa soldabilidade

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• Alta resistência moderada
• Excelente resistência à corrosão
• Alta soldabilidade

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• Resistência muito alta

SÉRIE

APLICATIVOS

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• Transmissões
• Linhas da rede elétrica

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• Aeronaves

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• Permutadores de calor
• Utensílios de cozinha
• Latas de bebidas

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• Fios de solda
• Varas de brasagem

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• Construção e construção
• Tanques de armazenamento
• Recipientes de pressão
• Aplicativos marítimos

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• Arquitetura
• Estrutura
• Caminhões
• Quadros marinhos

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• Aeronaves
• Relógios da Apple

Saúde e segurança

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

Em sua forma solúvel, Al ³⁺ , o alumínio é tóxico para as plantas. Solos ácidos tendem a acelerar a liberação de Al ³⁺ de seus minerais e diminuir os rendimentos do produto desses campos. Como quase metade das terras aráveis ​​em todo o mundo é ácida, o impacto negativo do alumínio no rendimento das colheitas pode ser severo.

O corpo humano também pode ser afetado pelo alumínio. Os efeitos para a saúde de um acúmulo de alumínio incluem um risco aumentado de doença de Alzheimer e alguns tipos de câncer, embora não comprovados de forma conclusiva. Em altas concentrações, o alumínio é uma neurotoxina, que atua no cérebro e na estrutura óssea. O alumínio é encontrado em fermentos, emulsificantes e corantes, bem como em alguns produtos antiácidos.

Aplicações de alumínio

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

Aeroespacial

Os avanços na indústria aeroespacial têm sido substancialmente dependentes do desenvolvimento de produtos de alumínio. Sua combinação de propriedades, especialmente sua leveza e resistência, permitiu à humanidade desenvolver veículos fortes e leves o suficiente para escapar da atmosfera terrestre. Os irmãos Wright usaram alumínio para o cárter do motor de seu primeiro biplano com estrutura de madeira. Os aviões de transporte comercial modernos consistem em 80% de alumínio – encontrado principalmente em suas fuselagens, especialmente para fuselagens e asas. O alumínio é amplamente utilizado na indústria espacial para ônibus e estruturas na estação espacial internacional.

Construção e arquitetura

Redes de energia e linhas de transmissão elétrica foram transferidas para alumínio em vez de cobre como base. Isso se deve à excelente condutividade e peso leve para comprimentos estendidos de cabos. As ligas de alumínio também são usadas na construção para fornecer estruturas fortes que podem suportar o peso significativo de grandes painéis de vidro. Os arquitetos usam essas características extensivamente em aeroportos e arranha-céus.

Mobília do local

Embora a maioria dos móveis do local (bancos, recipientes para lixo, bicicletários e similares) sejam fixados no lugar, os cabeços removíveis são um dispositivo de orientação de tráfego que pode ser colocado para impedir o acesso de veículos ou removido para permitir isso. O alumínio é frequentemente usado para aplicações de amarração removível devido à leveza do metal; é muito mais fácil para a equipe do evento entrar ou sair do local.

Alimentos e bebidas

Alimentos e bebidas enlatados são outro mercado onde o alumínio tem dominado. As latas de alumínio refrigeram rapidamente e proporcionam 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 no interior devido à sua proteção contra oxigênio, luz e outros contaminantes.

Aparelho e tecnologia

Os eletrodomésticos também se beneficiaram das propriedades do alumínio. Suas propriedades térmicas o tornam ideal para aplicações de refrigeração, enquanto o peso leve permite que os aparelhos 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 a criação de laptops de alumínio, feitos de um único bloco de alumínio. As TVs de tela plana também se beneficiam da propriedade leve do alumínio; um produto de aço equivalente seria muito pesado para pendurar na parede.

Automotivo

Os fabricantes de automóveis estão sob mais pressão para reduzir a pegada de carbono de seus veículos. Quadros leves de alumínio, painéis da carroceria e motores ajudam nessa causa, melhorando a economia de combustível. Há também outros benefícios ambientais, já que quase 90% da sucata de alumínio automotivo é coletada para reciclagem.

Reciclagem de alumínio

A maior parte do alumínio pode ser reciclada. Latas de bebidas e peças de automóveis são indústrias de alta captação onde o material é coletado e reciclado de forma eficaz. Uma vez que o alumínio usado é coletado, ele é levado para uma estação de tratamento, onde é classificado em diferentes graus e limpo. O metal é então derretido para remover os revestimentos, tintas e outras impurezas. Durante esta etapa, as ligas podem ser adicionadas conforme necessário, após o que é moldado em lingotes. Esses lingotes podem ser fornecidos para fundições onde são usados ​​para fundição ou movidos para outros fabricantes para processamento posterior. O alumínio reciclado pode ser devolvido ao mercado como novos produtos em menos de seis semanas.

Limpeza e manutenção de 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, pode-se usar aguarrás ou um produto de limpeza químico não corrosivo. Para maior poder de limpeza, podem ser usados ​​polidores à base de cera, ceras abrasivas ou limpadores abrasivos. É importante secar os produtos de alumínio após a limpeza para evitar riscos, e os resíduos de limpeza devem ser removidos das bordas e juntas.

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