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Ligas de Alumínio: Excepcional Resistência à Corrosão e Desempenho

Em fundições metálicas, o alumínio e suas ligas estão entre os principais materiais de fundição devido às suas vantagens excepcionais sobre outros metais. A liga de alumínio tem ductilidade, alta fundibilidade, alta resistência e, especialmente, alta resistência à corrosão em diferentes ambientes e agentes químicos.

A resistência à corrosão do alumínio é criada por um filme de óxido inerte formando-se na superfície do metal que fornece uma camada protetora, impedindo a superfície de alumínio da exposição ao seu entorno.

Um filme de óxido na superfície é formado devido à reação química da superfície de alumínio com oxigênio e água. Na verdade, este é o primeiro estágio da corrosão do metal. Embora o filme de óxido tenha apenas 5-10 nm de espessura, ele previne a ferrugem do metal assim que é exposto a um ambiente oxidante como água.

Na maioria dos ambientes, a taxa de corrosão de ligas de alumínio diminui com o tempo, parcialmente porque a estabilidade do filme de óxido determina sua resistência à corrosão, que depende do valor de pH do ambiente.

Tipicamente, filmes de óxido são estáveis na faixa de pH de cerca de 4 a 8. Se o pH estiver abaixo de 4, ele dissolverá os ácidos, e se o pH estiver acima de 8, dissolverá álcalis para criar sólidos cristalinos, que é ferrugem.

Na indústria de fundição, para melhorar as propriedades de fundição do alumínio e reduzir defeitos de fundição de alumínio, fundições metálicas frequentemente adicionam um teor mais alto de Si à liga de alumínio, o que torna a corrosão localizada mais provável de acontecer e desencoraja a anodização para reduzir a resistência à corrosão do alumínio fundido.

Para otimizar a resistência à corrosão de ligas de alumínio fundido, é necessário entender a relação entre o processo de produção da liga de alumínio e a microestrutura do alumínio. Portanto, realizamos uma avaliação abrangente da pesquisa sobre corrosão de metais em geral e ligas de alumínio em particular de acordo com vários métodos de fundição de alumínio, como fundição em areia, fundição sob baixa pressão, etc.

Este é o artigo mais detalhado, abrangente e direto que você pode encontrar sobre corrosão de ligas de alumínio, que são altamente reativas e têm várias propriedades excepcionais.

Vamos dar uma olhada mais de perto conosco – fundição VIC!

Natureza Corrosiva das Ligas de Alumínio

A corrosão de ligas de alumínio em um ambiente substancial é devida a reações catódicas e anódicas ocorrendo na mesma taxa na superfície do metal.

A reação catódica é o processo de oxidação do metal, e a reação anódica é a redução da substância no ambiente. Oxidação e redução acontecem simultaneamente, e elétrons são transferidos entre os dois reagentes. Portanto, o metal conduz eletricidade.

Reação de oxidação: Al → Al³⁺ + 3e⁻

Reação redox de hidrogênio: H⁺ + e⁻ → ½ H₂

Ou reação redox de oxigênio: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Em essência, estas reações ocorrem na microestrutura da liga. A microestrutura de uma liga de alumínio é determinada pelos elementos de liga e pelo tratamento termomecânico.

Com liga de alumínio pura sem elementos metálicos adicionados, não há posições de metal dentro da microestrutura. Como resultado, a reação catódica é improvável de acontecer, minimizando assim a possibilidade de corrosão.

Quanto a ligas de alumínio heterogêneas misturadas com componentes de liga, partículas intermetálicas são formadas para produzir precipitados de 1-300 nm de diâmetro. Os precipitados consistem de diferentes características eletroquímicas que são as áreas atacadas pela corrosão.

Limite de Corrosão das Ligas de Alumínio

A resistência do alumínio à corrosão aumenta à medida que sua pureza aumenta. No entanto, devido à alta ductilidade do alumínio, quanto mais pura a liga de alumínio, menos aplicações ela fornece.

Tipicamente, metais são adicionados para aumentar a dureza e fundibilidade do alumínio, levando a uma diminuição em sua resistência à corrosão.

Abaixo estão análises da resistência à corrosão de ligas de alumínio.

1. Liga da série 1xx.x: Alumínio Comercialmente Puro

A liga da série 1xx.x é a liga mais pura, contendo cerca de 99,93% de alumínio puro, e tem uma taxa de corrosão medida muito baixa, cerca de 0,8 µA em 1 cm² a 2,3 cm².

Devido à excelente resistência à corrosão, a série 1xx.x não é amplamente aplicada diariamente devido à sua baixa dureza.

Algumas de suas aplicações incluem ligas da série 100 usadas na indústria de embalagens de folha e como material para utensílios de cozinha. Também é usado para produzir produção de liga secundária ou como revestimento para outras séries.

2. Liga da série 2xx.x: Alumínio – Cobre

A liga de alumínio da série 2xx.x contém alto teor de Cu, cerca de 4-10%, então tem altas propriedades mecânicas e é usada em estruturas, especialmente na indústria de construção aeroespacial.

No entanto, a adição de Cu à liga afetará sua durabilidade. Embora a dureza seja significativamente melhorada (cerca de 500 MPa), é suscetível à corrosão em ambientes industriais com umidade.

A série 200 tende a formar defeitos de fundição, então são frequentemente limitados à produção de fundição de padrões simples.

Um teste eletroquímico com solução de 0,5M H₂SO₄ mediu a taxa de corrosão de cerca de 0,45 µA/cm², comparado com medição em solução de 3% NaCl. Este experimento foi conduzido com três ligas Al-Cu com proporção de Cu de 5%, 10% e 15%, respectivamente, e concluiu-se que a taxa de corrosão das 3 ligas era a mesma.

Outro experimento foi conduzido usando o método de solidificação direcional, pesquisando o efeito da taxa de resfriamento e o teor de Cu da liga Al-4,5%Cu.

Três amostras foram tomadas em três posições diferentes da superfície do resfriador de metal. Observando no nível microscópico, mostra uma taxa de corrosão melhor quando a taxa de resfriamento é maior.

3. Liga da série 3xx.x: Alumínio – Manganês

A liga de alumínio da série 3xx.x geralmente está disponível em chapas finas. É uma liga de alumínio com adição de silício e cerca de 1% de componente de manganês para melhorar a resistência à corrosão na solução sólida. A resistência desta liga é média, cerca de 110 MPa.

Se trabalho a frio e recozimento são realizados, a série 3xxx alcançará excelentes propriedades mecânicas. Eles também têm altas propriedades de fundição, então até 90% do alumínio fundido mundial pertence à série 300. Portanto, a pesquisa de corrosão com ligas de alumínio fundido é geralmente conduzida na série 300.

Muitos experimentos sobre corrosão da série 3xx.x foram conduzidos, principalmente com tecnologia de fundição por gravidade e fundição sob pressão.

Fundição de liga de alumínio por tecnologia de fundição por gravidade

Um estudo mostrou que a densidade de corrente de corrosão e o parâmetro de impedância de Al-8%Cu-3%Si induzem uma resistência à corrosão maior que Al-6%Cu-1%Si.

Testes de corrosão são realizados na posição de seção transversal da fundição, a 0, 10 e 20 mm da superfície de fundição fria.

Este experimento mostra que o teor de Si e o espaçamento do braço dendrítico secundário (SDAS) dependem um do outro e afetam a resistência à corrosão de Al-6%Cu-1%Si.

Na matriz de alumínio α, ligas de alumínio fundido facilmente formam compostos intermetálicos. A presença de manganês na série 300 compensa o efeito catódico do Fe em compostos intermetálicos, tornando-os menos corrosivos.

Pesquisadores também conduziram experimentos sobre os efeitos de Sr na corrosão de ligas de alumínio.

Micro-observações mostraram ainda a mudança de silício eutético de morfologia grossa e fina para morfologia de fibra conectiva.

a. sem Sr adicionado

b: Sr 120 ppm

c: Sr 170 ppm

d: Sr 250 ppm

Conclusão: A morfologia de fibra ligada de silício eutético melhora a resistência à corrosão de ligas de alumínio. Níveis detalhados de resistência à corrosão são mostrados na tabela a seguir:

Adição de SrAntesDepois
120 ppm13,8 µA/cm²0,42 µA/cm²
150 ppm10,2 µA/cm²1,47 µA/cm²

Fundição de liga de alumínio com tecnologia HPDC (fundição sob alta pressão)

De acordo com documentos registrados, este experimentou pulverizou metal em três temperaturas diferentes: 579°C, 643°C e 709°C com duas pressões de injeção de 35 MPa e 70 MPa. Observação da microestrutura mostra que a baixa temperatura, a dendrita de alumínio é fragmentada, e a alta temperatura, a dendrita é mais refinada.

Este experimento conclui que quanto maior a porosidade, menor a resistência à corrosão da liga de alumínio. A porosidade aumenta gradualmente de acordo com os seguintes resultados experimentais:

a: 579°C / 35 MPa (3,15% porosidade)

b: 579°C / 70 MPa

c: 643°C / 35 MPa

d: 643°C / 70 MPa

e: 709°C / 35 MPa

f: 709°C / 70 MPa (4,91% porosidade)

Com tecnologia HPDC, bolhas de ar são criadas devido à alta taxa de injeção, resultando em alta porosidade de fundição e causando defeitos de porosidade de gás.

4. Liga da série 5xx.x: Alumínio – Magnésio

A série 5xx.x contém menos de 6% Mg. O magnésio tem solubilidade no alumínio que melhora a resistência à corrosão e dureza da liga. A dureza da série 500 é maior que 380 MPa.

A série 500 pode resistir à corrosão em ambiente de água do mar, então é aplicada na indústria naval.

Pesquisa sobre resistência à corrosão de liga Al-3%Mg-1%Si por fundição por gravidade e método de fundição contínua encontrou corrosão severa na zona livre de precipitados.

A figura acima mostra os resultados do experimento; com tecnologia de fundição por gravidade, liga Al-3Mg-1Si é corroída a uma taxa maior que fundição contínua. Na verdade, a tecnologia de fundição contínua tem uma taxa de resfriamento mais rápida, levando a uma maior proporção de solução sólida.

A Série 500 também tem um problema de corrosão — um distúrbio de densidade pesada que pode causar precipitação prejudicial de fase β Mg₂Al₃ em ligas com > 3% Mg, e exposição a alta temperatura por longos períodos.

5. Liga da série 6xx.x: Alumínio – Magnésio – Silício

Liga de alumínio baseada em silício da série 6xx.x aumenta a fluidez e reduz o ponto de fusão.

Esta liga tem resistência de dureza > 300 MPa, principalmente em forma extrudada e em forma de chapa.

Silício e Mg são adicionados à liga, excedendo 1,4% aumentará a resistência quando envelhecido.

A série 600 obtém boa resistência à corrosão, então é amplamente usada no ambiente marinho e fabricação de motores de trem.

6. Liga da série 7xx.x: Alumínio – Zinco – Magnésio

A liga da série 7xx.x tem durabilidade até 580 MPa; tal alta resistência é alcançada devido à precipitação da fase η (MgZn₂). Portanto, é amplamente usada na indústria aeroespacial.

A desvantagem da série 700 é a resistência à corrosão reduzida; são suscetíveis a erosão ambiental e trinca por corrosão sob tensão.

Para reequilibrar a resistência à corrosão, tratamentos térmicos complexos foram realizados, como tratamentos térmicos secundários.

7. Liga da série 8xx.x: Alumínio – Lítio

A liga de alumínio da série 8xx.x é misturada com elemento Li, com solubilidade no alumínio até 16%.

A série 800 é muito leve e obtém alta rigidez; assim, tem alto potencial para uso na indústria aeroespacial.

No passado, ligas de alumínio contendo Li tiveram a maior taxa de corrosão entre todas as ligas de alumínio; mas hoje, ligas Al-Li com Cu adicionado superaram esta limitação.

8. Liga da série 9xx.x: Alumínio – Níquel

A liga da série 9xx.x com Níquel adicionado para aumentar a dureza mas reduzir a ductilidade e resistência à corrosão.

Um estudo sobre ligas Al-5%Ni: tomou 1 amostra da liga na posição P1, que está a 10 mm da borda do molde com taxa de resfriamento de cerca de 8°C/s, e 1 amostra a 60 mm da borda do molde a uma taxa de resfriamento de 0,6°C/s.

O resultado foi a taxa de corrosão da posição P2 é 1,5 µA/cm², e na posição P1 é 3,5 µA/cm².

Descubra mais informações sobre tipos de alumínio: https://vietnamcastiron.com/types-aluminum/

Efeito dos Elementos de Liga na Corrosão de Liga de Alumínio

1. O efeito do Mg

Mg é adicionado à liga de alumínio para melhorar propriedades mecânicas. Mg reduz a taxa de reação da reação catódica quando presente em solução sólida (devido à baixa densidade de corrente de troca do Mg) e aumenta a resistência à corrosão.

2. O efeito do Si

Si adicionado com Mg cria um precipitado Mg₂Si que melhora a dureza da liga de alumínio mas causa corrosão localizada. Adição excessiva de Si causará trinca por corrosão sob tensão devido ao Si aparecendo na fronteira e acelerar a reação catódica.

3. O efeito do Cu

Similar ao Mg, a presença de Cu causa uma liga de alumínio a formar uma reação catódica localizada que causa corrosão. No entanto, o objetivo principal das ligas das séries 600 ou 700 ao adicionar Cu à composição é para propósito de endurecimento, não para o objetivo anti-corrosão.

4. O efeito do Zn

Adicionar Zn à liga de alumínio pode formar fase τ Al-Mg-Zn em vez de fase β Al₃Mg₂, que causa trinca por corrosão sob tensão. Ligas usadas na indústria aeroespacial ainda usam Zn para formar um precipitado de endurecimento.

5. O efeito do Fe

No processo de produção, a liga de alumínio frequentemente mistura Fe na composição. O processo de remoção de Fe é muito caro. Fe é difícil de dissolver na liga e mantém uma reação catódica, resultando em resistência à corrosão reduzida. Fe combinado com Mn ou Cu na liga também é um fator impedindo a resistência à corrosão.

6. O efeito do Mn

Incluir Manganês na liga de alumínio reduzirá a concentração de Fe e aumentará a resistência à corrosão. No entanto, se a quantidade de Mn exceder o limite de solubilidade (1,25% em peso), levará à formação de Al₆Mn, que aumenta a reação catódica e causa problemas de corrosão.

7. O efeito do Li

Lítio desempenha o papel de aumentar a dureza da liga de alumínio, então liga Al-Li é amplamente usada no campo da aviação. No entanto, Li apareceu ao longo das fronteiras de grão, causando um aumento rápido na taxa de corrosão e propagação local de corrosão.

Tipos de Corrosão de Liga de Alumínio

Corrosão Uniforme

Corrosão uniforme é um tipo comum de corrosão que ocorre quando o pH é muito alto ou muito baixo. Todas as áreas da superfície da liga são erodidas na mesma taxa. O filme de óxido de alumínio não pode proteger o metal, e ele será erodido gradualmente.

Corrosão uniforme pode ser facilmente identificada e tratada usando tinta ou revestimentos em um nível de corrosão permitido.

Com ligas de alumínio, inibidores como ácido crômico ou proteção catódica podem ser usados.

Corrosão Galvânica

A corrosão galvânica ocorre quando uma liga de alumínio é conectada a um material condutivo, reagindo mais fortemente em um ambiente condutivo. No ponto de contato entre o alumínio restante e o metal, formará um ataque de corrosão. Por exemplo, em soldas metálicas, a corrosão se formará concentrada no lado do metal menos nobre.

A corrosão galvânica também ocorre com ligas de alumínio heterogêneas contendo compostos intermetálicos. Por exemplo, em ligas de alumínio contendo cobre, a corrosão é significativamente aumentada se imersa em água ou ambientes agressivos.

No caso de alumínio e aço inoxidável em contato um com o outro em um ambiente seco, o nível de corrosão aumentará apenas ligeiramente. Mas em um ambiente úmido, aumentará marcadamente.

Para prevenir a corrosão galvânica de ocorrer, é necessário separar os dois metais um do outro inserindo um material isolante como borracha neoprene na posição de contato dos dois metais ou redesenhando, para que os dois metais não se toquem.

Corrosão por Fenda

A corrosão por fenda origina-se de lacunas ou juntas e então se espalha para áreas na superfície em um ambiente úmido.

Um exemplo típico é o local onde o parafuso e o metal ao qual é aparafusado formam ferrugem, na presença de umidade ou água entrando na fenda.

Corrosão por Pites

A corrosão por pites é uma forma de corrosão local que ocorre em uma superfície de metal quando ela é imersa em um ambiente úmido.

A corrosão por pites geralmente ocorre quando a superfície da liga é coberta com um filme de óxido fino, que se forma durante a fabricação do metal ou reação com o ambiente.

Quanto à liga de alumínio, o filme de óxido de alumínio é formado muito rapidamente, e a ligação cria uma barreira entre superfícies de metal. No entanto, isso ainda não impede o contato entre umidade e buracos na superfície do metal.

Quando vazios na superfície aparecem devido ao impacto de uma célula local, estes buracos, se incapazes de se reparar mecanicamente, serão preenchidos com produtos corrosivos que parecem nódulos.

Corrosão Intergranular

A corrosão intergranular é um ataque de corrosão local ao longo da fronteira de grão ou adjacente à fronteira de grão do metal, criando um caminho de corrosão.

A fronteira de grão é uma concentração de partículas estranhas, o desvio aqui causa que seja altamente ativa que a área interna, então a taxa de corrosão aqui é mais rápida.

O nível de corrosão pode variar dependendo de sua microestrutura, que por sua vez depende do tratamento térmico. O tratamento térmico produz precipitados de partículas e pode tornar a fronteira de grão mais ativa e destruir rapidamente o material.

Corrosão por Esfoliação

A corrosão por esfoliação é corrosão que aparece ao longo de fronteiras de grão que correm paralelas à superfície do metal. Comparado ao metal base, o produto corrosivo é maior em peso, o que força o metal a separar camadas, causando o metal a inchar.

A corrosão por esfoliação geralmente acontece em ligas Al-Mg-Cu e Al-Zn-Cu.

A extensão da corrosão depende principalmente da composição e distribuição do precipitado na fronteira de grão.

Trinca por Corrosão sob Tensão

A Trinca por Corrosão sob Tensão (SCC) é a deterioração das propriedades mecânicas de uma liga sob a influência de tensão e um ambiente corrosivo. Inicialmente, devido à tensão mecânica, pequenas trincas aparecem, então no ambiente corrosivo, as trincas se desenvolvem muito rapidamente, criando destruição rápida do material.

Das 8 ligas de alumínio, as séries 2xx.x, 5xx.x e 7xx.x são as mais suscetíveis a SCC.

O impulso de dois agentes: tensão de tração estática e o ambiente específico induz trincas intergranulares ou transgranulares do metal. SCC pode acontecer inesperadamente e progredir rapidamente.

O ambiente específico é um fator essencial causando SCC. Apenas uma concentração muito pequena de alguns produtos químicos altamente ativos pode criar uma trinca e gradualmente levar a destruição catastrófica na liga.

Fadiga por Corrosão

A Fadiga por Corrosão é a degradação mecânica do material sob os efeitos de tensão e corrosão cíclica.

Embora a superfície de alumínio tenha um filme de óxido de alumínio naturalmente protegido, este pode ser quebrado quando submetido a efeitos corrosivos cíclicos.

A resistência à fadiga do material diminui a cada ciclo e não depende de suas condições metalúrgicas.

Experimentando a resistência à corrosão de liga de alumínio em NaCl, a resistência à fadiga é 10⁸ ciclos e sua resistência à corrosão está na faixa de 25% a 35%, comparado com a do ar.

Corrosão Filiforme

A corrosão filiforme é um caso especial de Corrosão por Fenda, em que fibras finas aparecem como túneis finos em direções aleatórias e sem ramificação; estas fibras finas contêm produtos corrosivos.

A corrosão filiforme pode ocorrer em uma superfície de metal desprotegida ou abaixo do filme protetor de metal fino, aproximadamente 0,1 mm de espessura. O filme pode ser tanto um revestimento quanto proteção contra corrosão.

Quando o material entra em contato com água e oxigênio, causa produtos corrosivos a penetrarem no espaço entre o revestimento e a superfície do metal, especialmente através de arranhões, expandindo-se gradualmente em aglomerados corrosivos.

Resistência à Corrosão do Alumínio

Para resistir efetivamente à corrosão de ligas de alumínio, é necessário isolar completamente a superfície do metal do ambiente. Para alcançar isso, é necessário usar um revestimento orgânico como tinta.

No entanto, pintar na superfície de alumínio não é um processo fácil porque a superfície do alumínio não tem porosidade. Portanto, é necessário promover um filme de óxido na superfície através de anodização ou revestimento de conversão para melhorar a adesão da tinta.

1. Criar um revestimento na superfície do alumínio

1.1. Técnica de anodização

O método mais comum para resistir à corrosão do alumínio e suas ligas é anodização. Este é um método de criar um filme de óxido relativamente espesso fora da superfície do alumínio para ajudar a resistir à corrosão.

Inibidores podem ser adicionados à camada externa da camada anodizada enquanto esta camada está se formando, ou também pode ser adicionado após a formação para aumentar o nível de proteção do metal.

Há diferentes tipos de anodização:

1.2. Revestimento de conversão química

O revestimento de conversão química também é conhecido como filme químico ou revestimento cromato. Este é o processo de aplicar cromato ao substrato metálico para criar uma superfície durável, resistente à corrosão e com condutividade elétrica estável.

Este revestimento de conversão é tanto um inibidor de corrosão quanto um primer para melhor adesão ao revestimento superior.

Para realizar este procedimento, é necessário imersão da peça metálica no químico contendo o composto de cromo por vários minutos para formar um filme de espessura apropriada. O revestimento de conversão química é o filme que seca e endurece.

Este processo é descrito da seguinte forma:

Reação redox entre cromo e alumínio:

Cr⁶⁺ + Al⁰ → Cr³⁺ + Al³⁺

Então reage com hidróxido na água para criar uma solução alcalina:

Cr³⁺ + 3OH⁻ → Cr(OH)₃

Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃

A solução alcalina seca e endurece, formando um revestimento seco, principalmente Cr₂O₃, que tem cerca de 0,2-0,3 µm de espessura.

No entanto, este revestimento de Cromo é bastante tóxico, então hoje em dia, as pessoas usam métodos de processamento alternativos como monocamadas auto-montadas, químicas sol-gel, terras raras, cobalto, etc. Isso visa proteger contra corrosão de superfícies que foram pré-eliminadas partículas IM.

2. Revestimentos orgânicos

Após a peça de alumínio ser coberta com o ânodo ou convertido quimicamente, a superfície está pronta para ser revestida com o revestimento orgânico. O sistema de revestimento orgânico consiste em um primer e um revestimento superior.

O primer é a camada protetora principal que inibirá a corrosão quando entrar em contato com água ou metal. O revestimento superior aumentará o nível de proteção e também será usado para fins estéticos.

Como pintar ligas de alumínio: https://vietnamcastiron.com/painting-cast-aluminum-process/

Conclusão

Dos estudos de ligas de alumínio baseados na base química, microestrutura e ambiente, podemos apreender os fatores cruciais na seleção e desenvolvimento de ligas de alumínio.

A microestrutura determina a resistência mecânica e o desempenho de corrosão da liga. Reunir informações sobre tipos de corrosão, bem como analisar a resistência à corrosão de ligas de alumínio, melhorará o estudo de tratamento de superfície.

Aumentar a resistência à corrosão enquanto garante uma maior resistência da liga requer pesquisa e testes mais intensivos. O método atual de aumento de dureza, que simplesmente precipita a matriz cristalina, não é mais possível.

Leia mais sobre o defeito de fundição de alumínio mais popular: https://vietnamcastiron.com/aluminum-casting-shrinkage/

Este documento foi compilado pelo Sr. Dinh Tien Vu da VIC, baseado nas seguintes fontes:

UK Aluminum Industry Fact Sheet 2: Aluminum and Corrosion da Alfed.

Review Corrosion of Cast Aluminum Alloys da MDPI.

Durability and Corrosion of Aluminium and Its Alloys: Overview, Property Space, Techniques and Developments por N. L. Sukiman, X. Zhou, N. Birbilis, A.E. Hughes, J. M. C. Mol, S. J. Garcia, X.

Por favor, cite as fontes se você gostaria de usar as informações neste documento.

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