ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS

2. O que é o Alumínio • É um metal branco acinzentado • leve • não tóxico (no estado não particulado) • 3° elemento em abundância na litosfera • encontrado na natureza apenas na forma combinada • muito reativo

3. Símbolo Químico: Al Número Atômico: 5 Peso Atômico: 26,98153 Grupo da Tabela: 13 Configuração Eletrônica: [Ne].3s2.3p1 Classificação: Metal Estado Físico (T=298K): Sólido Densidade: 2,702 g/cm3 Ponto de Fusão: 933,7 K Ponto de Ebulição: 2792,0 K Condutividade Térmica: 235,0 W/m.K Resistividade Elétrica: 2,65 .10-8.Ohm.m número de oxidação: +3 (excepcionalmente +1) Anfótero (reage c/ ácidos e bases) Al + ácido --> Al+3 + H2 Al + base --> Al(OH)4 + H2 Características Físico-Químicas

4. Energias de Ionização 1ª 577,5 kJ/mol 2ª 1816,5 kJ/mol 3ª 2744,8 kJ/mol 4a 11577,0 kJ/mol 5ª 14842,0 kJ/mol 6ª 18379,0 kJ/mol 7ª 23326,0 kJ/mol Calor Específico: 0,9 J/g.K Eletronegatividade (Pauling): 1,61 Raio Neutro (pm): Raio Atômico Empírico: 125,0 Raio Atômico Calculado: 118,0 Raio Covalente: 118,0 Raio van der Waals: não tem Raio Iônico Íon Al (I): 50,0 pm Características Físico-Químicas

5. Características Físico-Químicas • Potencial Padrão de Redução (E°, eV): +1 0 Solução ácida Al3+-1,676 Al Solução básica Al(OH)3-2,300 Al Al(OH)4--2,310 Al

6. Características Físico-Químicas • Riscos: Não apresenta risco industrial • Toxidade: Na forma de pó ou grânulos é tóxico por inalação ou ingestão. O alumínio apresenta uma propriedade acumulativa no corpo humano, que após algum tempo torna-se nocivo, ocasionando sérias conseqüências no sistema biológico dos seres vivos. O metal está associado à doença de Alzheimer (doença mental).

7. Características Físico-Químicas • Isótopos: • Al23 não encontrado na natureza meia vida = 0,13 s • Al24 não encontrado na natureza meia vida = 2,1 s • Al25 não encontrado na natureza meia vida = 7,2 s • Al26 não encontrado na natureza meia vida = 7,4.105 anos • Al27 100% na natureza estável • Al28 não encontrado na natureza meia vida = 2,3 horas • Al29 não encontrado na natureza meia vida = 6,6 min • Al30 não encontrado na natureza meia vida = 3,3 s

8. Estrutura Cristalina: CFC

9. Origem do nome • do latin "alumen" meaning "alum" • Traduções: • Alemão: aluminium • Inglês: aluminium • Espanhol: aluminio • Francês: aluminium • Italiano: alluminio

10. Gregos e Romanos: medicina - alumina (Al2O3) encontrada em minérios; 1787 - Lavoisier : suspeitou que esta substância era um óxido de um metal desconhecido; 1807 - Davy: propõe nome “Alumium”, posteriormente trocado para “Aluminium” (alumínio); 1821 - Berthier (Les Baux, sul da França): bauxita identificada pela primeira vez 1825 - Oersted: isolado Al reagindo cloreto de alumínio (AlCl3) com amálgama de potássio; Histórico

11. Histórico • 1854 - Sainte-Claire Deville: obtenção industrial do alumínio por via química; • 1925 - Heroult (Normandia - França) e Hall (Ohio- Estados Unidos): processo eletrolítico

12. Principais Minerais • bauxita Al2O3.nH2O: 48% a 64% de alumina, de aparência física é muito variável (branca, cinza ou creme para baixa porcentagem de ferro; amarelo, marrom-claro, rosado ou vermelho- escuro para altas percentagens de ferro). • criolita Na3AlF6 :só encontrado em jazida na Groelândia, daí sua pouca importância no cenário mundial.

13. Outros Minerais • óxidos, fluoretos e silicatos de constituição complexa. O óxido de alumínio (coridon) apresenta-se de duas formas: • córidon límpido colorido (rubís e safiras) e • córidon impuro (esmeril) contendo ferro como principal impureza.

14. Obtenção do Alumínio • Fase química: extração do óxido (Al2O3) que contém o metal; • Fase eletrolítica: eletrólise da alumina dissolvida em um sal fundido.

15. Fase química • Método Bayer • moagem fina do minério; • calcinação a 900°C; • Moagem fina; • autoclavar minério calcinado com soda cáustica a 180°C e 12-15 atm; • “germinação” (decomposição em presença de hidróxido de alumínio) do aluminato de sódio obtido nas autoclaves, [ NaAl(OH)4 ------> Al(OH)2 + NaOH ]; • calcinação do hidróxido de alumínio separado a 1200°C obtendo a alumina c/ 99,5% de pureza [ 2Al(OH)2 ---> Al2O3 + 3H2O ] • 2 kg de bauxita+ 2 kg de combustível e 2 kWh de eletricidade gastos por kg de Al2O3 obtido

17. Fase eletrolítica • dissolução da alumina a 5% em criolita fundida a 930°C; • eletrólise em cuba eletrolítica durante 24-18 horas a 100.000A e 5-6 V; • limpeza de escórias e adição de ligantes em forno contínuo;

18. Cuba eletrolítica • recipiente de ferro revestido por carvão nas laterais e parte inferior, funcionando como cátodo • o ânodo é formado por eletrodo tipo Söderberg: camisa metálica na qual vai sendo despejada continuamente do alto uma pasta de carvão e piche durante a eletrólise • decomposição se processa de forma contínua adicionando-se alumina periodicamente ao banho, mantendo-a em uma concentração superior a 2,5% para evitar decomposição da criolita liberando gases ricos em flúor, interrompendo o processo (fenômeno anódico) • gases provenientes das cubas (CO, CO2, flúor e outros) são passados por uma coluna de absorção contendo solução aquosa de carbonato de sódio para retirar o flúor, altamente tóxico.

19. Cuba eletrolítica

20. Cuba eletrolítica • Em geral são gastos 2 kg de alumina e de 16 a 18 kWh de energia para cada kg de alumínio 99,5% puro obtido; • Para fins especiais pode-se obter graus de pureza da ordem de 99,99% e até 99,999% mediante refinação eletrolítica a alta temperatura (750°C) em processo denominado de “três camadas” em células com eletrólito de mistura fundida de flouretos e cloretos, ânodo de alumínio bruto e cátodo de alumínio refinado, a um custo de 20 kWh de eletricidade por kg de alumínio refinado.

21. Principais Ligas de Alumínio • a) Ligas tratáveis térmica ou mecanicamente: • ligas tratáveis termicamente: • Al-Cu • Al-Zn-Mg • Al-Si-Mg; • ligas endurecidas por trabalho a frio (encruáveis): • Al-Mg • Al-Si • b) Ligas para fundição • Al-Cu • Al-Si • Al-Si-Cu/Mg • Al-Mg • Al-Sn

22. Influência dos elementos de liga

23. Características das Ligas de Alumínio

27. Resistência à Corrosão • Extremo anódico (corroído) Mg • Ligas de Mg • Zn • Ligas Al 7072, Alclad 7071, Alclad 7073, Alclad 3003 • Ligas Al 6XXX • Ligas Al 1XXX, Al 3XXX, Al 5XXX, Alclad 2XXX • Cd • Liga Al 7075 • Ligas Al 2XXX • Aço macio, ferro fundido • Soldas Pb-Sn • Pb • Sn • Latões • Cu • Bronzes • Monel, inconel • Ni • Extremo catódico (protegido) Aço inox (ativo) • Ti

28. Resistência à Corrosão • Inibidores: quando alumínio ou suas ligas são usados em equipamentos químicos onde circulam líquidos de certa agressividade, a corrosão pode ser bastante atenuada pela adição de agentes inibidores (geralmente entre 50 a 2000 ppm). • Os agentes mais agressivos em relação ao alumínio ou suas ligas estão relacionados ao lado:

29. Tratamentos Térmicos • Envelhecimento: precipitação expontânea (ou induzida) de fase composta pelo agente de endurecimento, enrijecendo a liga por obstrução de discordâncias que facilitam a deformação plástica, sem alterar o alongamento. • aquecimento do material entre a linha solvus e a linha liquidus para realizar a solubilização • esfriamento em água gelada para temperar produzindo solução sólida supersaturada instável à temperatura ambiente • precipitação ocorre após a têmpera com o passar do tempo naturalmente (envelhecimento natural) ou acelerada por aquecimento moderado para certas ligas (revenido ou envelhecimento artificial).

30. Tratamentos Térmicos • Estabilização: tratamento usual para ligas encruáveis • aquecimento a cerca de 150°C por algumas horas para obtenção de material estável e dúctil, pois certas ligas apresentam ligeira variação dimensional e amolecimento com o passar do tempo. • Recozimento: é o tratamento que confere ao material a maleabilidade máxima, aplicável a ambas as classes de material tratável • consiste no aquecimento a uma temperatura a qual os grãos quebrados pelo encruamento são recristalizados, resultando em uma condição de liga esfriada lentamente, pois ocorre precipitação gradual de constituintes. • Modificação: aplicado apenas para ligas Al-Si de fundição • consiste no tratamento do metal líquido com sódio, produzindo fina dispersão das partículas de Si, aumentando drasticamente a ductilidade e a resistência mecânica.

31. Tratamentos Térmicos • Seqüências Usuais

32. Processamento Industrial • Laminação a quente ou a frio (chapas e folhas) • Trefilação (fios) • Extrusão a quente ou a frio (perfis, barras, tubos sem costura) • Forjamento a quente ou a frio • Metalurgia do pó (peças delicadas de pequenas dimensões) • Estampagem (estruturas de carrocerias) • Embutimento (utensílios domésticos) • Fudição em coquilha • Fundição sob pressão • Como metal de adição em solda por brasagem

34. Outras Aplicações Industriais • Para o alumínio elementar • condutores aéreos de eletricidade, devido a sua melhor relação condutibilidade/peso que o Cu; • na redução de óxidos de metais (Mg, Cr) devido a sua afinidade com o oxigênio quando finamente divido, reduzindo-os ao seu estado elementar (Reação de Goldschmidt – Aluminotermia); • misturado a óxido de Fe e areia silicosa (termite), com ignição por combustão de fita de magnésio, em operações de soldagem; • nas estruturas internas de reatores nucleares por absorver pouco os neutrons; • nos espelhos refletores de telescópios;

35. Outras Aplicações Industriais • Para a alumina • como desidratante e catalisador de muitas reações; • material de preenchimento em colunas cromatográficas; • abrasivo na industria mecânica e óptica; • lentes transparentes à radiação UV e IR; • produção de gemas industriais sintéticas (rubís e safiras) p/ relojoaria • fabricação de tijolos refratário (95% de alumina); • Para os sais de alumínio: • Al2(SO4)3 misturado com sulfato de K hidratado (alúmen), usado como mordente em tinturaria (fixador de corantes em fibras têxteis).

36. Acabamento e Proteção Superficial • A resistência à corrosão do alumínio e suas ligas depende da manutenção de uma fina camada (filme) de óxido • convém provocar o surgimento desta camada de forma artificial para produção de filmes mais espessos dentro de condições controladas em lugar de depender do seu surgimento natural. • Processo começa com uma limpeza da superfície por meios mecânicos para o emparelhamento da superfície (esmerilhamento, oleamento, lustramento e colorimento) e para a retirada de graxas, óleo sujeira, escamas de tratamentos térmicos e agentes químicos (desengraxamento, limpeza alcalina com agente inibidor, limpeza ácida e limpeza eletrolítica);

37. Acabamento e Proteção Superficial • Segue-se a formação da camada de óxido por processo de anodização, onde a peça é colocada como ânodo em eletrólito de baixo pH promovendo o reforço da camada de óxido, completando-se com a selagem (fechamento dos poros da camada de óxido) feita em água fervente ou soluções de sais entre 90-100°C por 15 a 60 minutos

38. Indústria no Brasil • 3º em reservas mundiais (17%) depois de Austrália e África Equatorial (PA, MG e RJ) • 6º em Produção

39. Mercado Interno (2.490.600 t alumina 704.100 t manufaturados)

40. Mercado Interno

41. Mercado Externo • Exportações (1999) • Alumínio e ligas 788.600 t • Sucatas 13.400 t • Manufaturados 107.600 t • Total 909.600 t

42. Reciclagem no Brasil

43. Referências Bibliográficas • GOMES, Mário Rennó; Emprego do Alumínio e suas Ligas, ABM, SP 1976 • MAGAROLA, Carlos S.; BELTRÁN, José; Manual del Aluminio, Ed Reverté SA, 11ª ed. Barcelona • BRICK, Robert M., GORDON, Robert B., PHILLIPS, Arthur; Structure and Properties of Alloys, Ed McGraw-Hill Book Company, 3ª ed., pg 147-189, USA, 1965 • Enciclopédia Ciência Ilustrada, Ed. Abril Cultural, SP, 1972 • www.merck.com.br/quimica/tpie/index.htm Tabela Periódica Interativa da Merck • www.aia.aluminium.pc.ca/english/index.htm Aluminium Associated of Canada • www.abal.org.br Associação Brasileira do Alumínio