Principais Ligas de Alumínio de Alta Resistência para Fundição sob Pressão

RESUMO

A seleção de ligas de alumínio de alta resistência para fundição sob pressão envolve um compromisso entre resistência máxima e capacidade de fabricação. Para obter a máxima resistência mecânica, as ligas da série 200 e as ligas de zinco-alumínio, como a ZA-27, são as principais candidatas. No entanto, ligas como a A360 oferecem um equilíbrio superior de resistência em temperaturas elevadas e resistência à corrosão, enquanto a B390 proporciona uma excepcional resistência ao desgaste. As propriedades finais são frequentemente significativamente melhoradas por meio de tratamentos térmicos como o T6.

Compreendendo as Famílias de Ligas de Alumínio para Fundição sob Pressão

Antes de selecionar uma liga específica, é essencial compreender as principais famílias ou séries de ligas de alumínio utilizadas na fundição sob pressão. Designadas pela Aluminum Association, essas séries agrupam ligas com base em seus elementos de liga principais, os quais determinam suas características fundamentais. O processo de seleção do engenheiro geralmente começa nesse nível, para restringir as opções com base nos requisitos principais da aplicação.

Cada série oferece uma combinação diferente de propriedades mecânicas, características de fundição e custos. Por exemplo, enquanto uma série pode oferecer resistência extrema, ela pode ser mais difícil e cara para fundir do que uma série mais comum e de uso geral. Compreender essas diferenças fundamentais é essencial para tomar uma decisão informada.

As séries mais comuns na fundição sob pressão trazem vantagens distintas:

• série 2xx.x (Cobre): Conhecida por ter a maior resistência entre as ligas de alumínio, a série 200 pode alcançar propriedades mecânicas quase o dobro das da mais comum série 300. Essa resistência, no entanto, vem ao custo de uma menor resistência à corrosão e uma fundição mais difícil.
• série 3xx.x (Silício + Cobre/Magnésio): Esta é a série mais popular e amplamente utilizada para fundição sob pressão, sendo o A380 o cavalo de batalha da indústria. Essas ligas oferecem uma excelente combinação de boa usinabilidade, resistência moderada e custo-benefício, tornando-as adequadas para uma vasta gama de aplicações.
• série 4xx.x (Silício): Essas ligas, como a 413, são valorizadas por sua excelente fluidez na fundição e estanqueidade sob pressão. Isso as torna uma escolha ideal para peças intrincadas ou componentes que devem conter líquidos ou gases sem vazamentos, como cilindros hidráulicos.
• série 5xx.x (Magnésio): A série 500, incluindo ligas como a 518, destaca-se pela excelente resistência à corrosão, particularmente em ambientes marinhos, e por suas superiores características de acabamento superficial. É uma escolha ideal para peças que exigem anodização com finalidades estéticas ou protetivas, embora possa ser mais suscetível a trincas a quente durante a fundição.

As Principais Ligas de Alta Resistência: Uma Comparação Detalhada

Embora a liga 380 seja a opção mais comum para aplicações gerais, diversas ligas especializadas oferecem características superiores de resistência e desempenho necessárias para funções mais exigentes. Esses materiais são escolhidos quando ligas padrão não conseguem atender às necessidades mecânicas, térmicas ou de resistência ao desgaste do componente. A seleção envolve uma análise cuidadosa dos compromissos entre resistência máxima, maleabilidade na fundição e outras propriedades críticas.

As opções mais resistentes geralmente provêm da série 200 ou das famílias especializadas de zinco-alumínio (ZA). De acordo com Serviço Geral de Fundição , as ligas da série 200 são conhecidas por sua resistência muito elevada. Paralelamente, ligas ZA como a ZA-27 oferecem resistência à tração significativamente maior do que as ligas de alumínio tradicionais. Abaixo está uma comparação dos principais candidatos para aplicações de fundição sob pressão de alta resistência.

Ao comparar essas opções, A360 é frequentemente selecionado quando uma peça precisa operar em um ambiente agressivo ou em temperaturas elevadas sem falhar. Conforme observado por Rapid Axis , combina resistência, ductilidade e resistência à corrosão, embora a dificuldade de fundição signifique que a geometria da peça deva ser considerada. O B390 é a escolha ideal para aplicações definidas por desgaste e fricção. Seu alto teor de silício confere uma dureza que lhe permite suportar forças abrasivas, tornando-o ideal para componentes de motores de combustão interna. Para aplicações que exigem a mais alta resistência absoluta, as ligas da série 200 e a ZA-27 são as principais candidatas, embora exijam maior especialização em fundição e possam envolver custos mais elevados.

O Segredo da Resistência Máxima: O Papel do Tratamento Térmico

Simplesmente selecionar uma liga de alta resistência é apenas parte da equação. Para muitas ligas de alumínio, particularmente aquelas nas séries 200 e 300 de ligas fundidas, como a 356 e a 357, suas propriedades mecânicas finais são alcançadas por meio do tratamento térmico. Esse processo metalúrgico envolve aquecimento e resfriamento controlados para alterar a microestrutura do metal, resultando em aumentos significativos na dureza, resistência à tração e limite de escoamento.

O tratamento térmico pode estabilizar as dimensões de um componente, aliviar tensões internas provenientes do processo de fundição e otimizar seu desempenho para a aplicação final. Compreender as diferentes condições de tratamento térmico, ou estados, é essencial para qualquer engenheiro que especifique uma peça fundida de alto desempenho. Esses estados são designados por um 'T' seguido de um número.

Os estados mais comuns para aumento de resistência em peças fundidas de alumínio incluem:

• F (Como Fundido): A condição da peça fundida imediatamente após a solidificação, sem tratamento térmico subsequente. As propriedades são básicas e podem mudar ao longo do tempo com o envelhecimento natural.
• T5 (Envelhecido Artificialmente): A peça fundida é resfriada a partir da temperatura de fundição e depois submetida a um processo de envelhecimento em baixa temperatura. Isso proporciona boa estabilidade dimensional e um aumento moderado na resistência.
• T6 (Tratado Termicamente por Solubilização e Envelhecido Artificialmente): Este é um processo em duas etapas para alcançar a máxima resistência. Primeiro, a peça fundida é aquecida a uma alta temperatura para dissolver os elementos de liga em solução sólida, depois rapidamente resfriada em um líquido para fixá-los nessa posição. Em seguida, é envelhecida artificialmente a uma temperatura mais baixa para precipitar esses elementos, o que endurece e reforça significativamente o material.
• T7 (Tratado Termicamente por Solubilização e Estabilizado): Semelhante ao T6, mas o processo final de envelhecimento é realizado a uma temperatura mais alta ou por um tempo mais longo. Isso leva a liga além da sua dureza máxima para proporcionar maior estabilidade dimensional e alívio de tensões, ainda que com uma leve redução na resistência final em comparação ao T6.

Ao especificar um tratamento térmico T6, um engenheiro pode transformar uma peça moderadamente resistente feita de uma liga como a 356 em um componente estrutural de alto desempenho capaz de suportar cargas muito maiores.

Além da Resistência: Fatores Críticos na Seleção de Ligas

Embora a resistência à tração seja uma preocupação primária, raramente é o único fator que determina o sucesso de uma liga. Uma abordagem holística na seleção de materiais é essencial, pois focar apenas na resistência pode levar a falhas relacionadas à fabricação ou à exposição ambiental. Várias outras propriedades devem ser cuidadosamente avaliadas para garantir que a liga escolhida seja adequada tanto para o processo de produção quanto para a aplicação final.

Dentre essas, as principais são usinabilidade , o que se refere à facilidade com que uma liga pode ser moldada em uma peça de qualidade. Isso inclui resistência a defeitos como fissuração a quente (rachaduras que se formam durante a solidificação) e soldagem da liga ao molde (aderência da liga ao molde). Conforme detalhado por especialistas em Gabrian , ligas com baixa usinabilidade podem resultar em taxas mais altas de refugo e aumento dos custos de produção. Outro fator essencial é a resistência à corrosão . O ambiente operacional da peça determina o nível de resistência necessário. Por exemplo, a A360 possui excelente resistência à corrosão, tornando-a adequada para aplicações externas ou marinhas, enquanto a A380 é apenas razoável neste aspecto.

Outras propriedades, como estanqueidade à pressão (crítico para componentes hidráulicos), resistência ao desgaste (para peças em contato móvel) e usinabilidade , devem também ser consideradas. Para orientar essa decisão complexa, os projetistas devem considerar as seguintes perguntas:

• Qual é a temperatura máxima de operação que o componente irá suportar?
• A peça será exposta a elementos corrosivos, como água salgada, produtos químicos ou sal de estrada?
• O componente precisa ser estanque à pressão para conter líquidos ou gases?
• Quais operações secundárias de acabamento, como anodização ou pintura, são necessárias?
• Quais são as restrições de custo para o projeto?

Embora a fundição sob pressão ofereça um excelente equilíbrio entre resistência, complexidade e velocidade de produção, algumas aplicações, particularmente no exigente setor automotivo, podem exigir resistência ainda maior ou resistência à fadiga, levando os projetistas a optar por outros processos, como forjamento. Por exemplo, especialistas em peças forjadas para automóveis, tais como Shaoyi (Ningbo) Tecnologia Metal , utilizam processos como forjamento a quente para produzir componentes robustos quando a integridade máxima do material é a prioridade absoluta.

Perguntas Frequentes

1. Qual é o alumínio mais resistente para fundição sob pressão?

As ligas de alumínio mais resistentes para fundição sob pressão são geralmente encontradas na série 200 (alumínio-cobre), que podem ser tratadas termicamente para alcançar propriedades mecânicas muito elevadas. Além disso, as ligas de zinco-alumínio, especificamente a ZA-27, são conhecidas por serem incrivelmente resistentes, com resistência à tração significativamente superior às ligas comuns de alumínio para fundição sob pressão. No entanto, ambas essas opções são mais difíceis de fundir e são reservadas para aplicações de alto desempenho onde a máxima resistência é essencial.

2. O alumínio 6061 pode ser fundido sob pressão?

Embora o 6061 seja uma liga de alumínio muito popular e resistente, normalmente não é utilizada em fundição sob pressão de alta taxa. Sua composição química e características de solidificação tornam-na propensa a defeitos como fissuração a quente nas condições de resfriamento rápido da fundição sob pressão. Contudo, é comumente usada em outros processos de fundição, como fundição por gravidade e fundição em areia, onde as taxas de resfriamento são mais lentas e controladas.