Já alguma vez se perguntou porque é que as ligas de alumínio são utilizadas em tudo, desde aviões a utensílios de cozinha? Este artigo explora as aplicações versáteis e os avanços das ligas de alumínio, destacando as suas propriedades únicas como alta resistência, baixo peso e excelente resistência à corrosão. Ao compreender os principais elementos e processos por detrás das ligas de alumínio, ficará a conhecer o seu papel fundamental em indústrias como a aeroespacial, a automóvel e a da construção. Mergulhe para descobrir como estes materiais moldam o nosso mundo moderno.
Liga de alumínio é um termo geral para ligas à base de alumínio. Os principais elementos de liga incluem o cobre, o silício, o magnésio, o zinco e o manganês, enquanto os elementos de liga menores podem incluir o níquel, o ferro, o titânio, o crómio, o lítio, entre outros.
A liga de alumínio é a categoria de materiais estruturais de metais não ferrosos mais utilizada em aplicações industriais. Tem sido amplamente aplicada em vários domínios, como a aviação, a indústria aeroespacial, a indústria automóvel, o fabrico de máquinas, a construção naval e a indústria química.
A liga de alumínio tem uma densidade baixa mas uma resistência relativamente elevada, que se aproxima ou excede a do aço de alta qualidade. Tem uma boa plasticidade e pode ser transformada em vários perfis.
Além disso, possui uma excelente condutividade eléctrica, condutividade térmica e resistência à corrosão. Como resultado, a liga de alumínio é amplamente utilizada na indústria e a sua utilização só perde para o aço.
A liga de alumínio é muito comum na nossa vida quotidiana. As nossas portas, janelas, camas, utensílios de cozinha, loiça, bicicletas, carros e muito mais contêm liga de alumínio.
Introdução: A liga de alumínio de alta resistência tem as características de leveza, alta resistência, bom desempenho de processamento e excelente desempenho de soldadura. É amplamente utilizada em domínios como a indústria aeronáutica e a indústria civil, especialmente na indústria aeronáutica, onde ocupa uma posição muito importante como um dos principais materiais estruturais.
Nas últimas décadas, académicos nacionais e estrangeiros realizaram uma extensa investigação sobre o processo de tratamento térmico e o desempenho das ligas de alumínio de alta resistência, fizeram progressos significativos e promoveram grandemente a aplicação generalizada desses materiais em vários aspectos da produção da indústria da aviação.
A liga de alumínio de ultra-alta resistência é composta principalmente pelas ligas AI-Cu-Mg e A1-Zn-Mg-Cu. A primeira tem uma resistência estática ligeiramente inferior à da segunda, mas tem uma temperatura de utilização mais elevada. A liga da série AI-Cu-Mg é a mais antiga liga de reforço tratada termicamente. O desenvolvimento do sector da aviação promoveu a melhoria desta série de ligas.
As ligas 2014 e 2024 foram desenvolvidas nas décadas de 1920 e 1930, respetivamente, seguidas pelo desenvolvimento da liga 2618. O desenvolvimento desta série de ligas está mais maduro e foram formulados mais de dez graus. Estas ligas têm sido amplamente utilizadas como materiais de aviação e outros materiais.
A aplicação da liga de alumínio de alta resistência em condutores
Na comunidade internacional, os condutores de liga de alumínio de alta resistência do tipo alumínio-magnésio-silício são utilizados há mais de 70 anos. Devido às suas vantagens e à melhoria contínua da tecnologia de produção, tornaram-se mais práticos. Na Europa, representada pela França, é amplamente utilizada em linhas de transmissão, representando a grande maioria do comprimento total das linhas.
Mais de 50% de linhas de transmissão no Japão utilizam liga de alumínio. Os Estados Unidos e o Canadá também têm uma grande percentagem. Mesmo os países em desenvolvimento do Sudeste Asiático, como a Índia, a Indonésia e as Filipinas, também utilizam a liga de alumínio para as linhas de transmissão de condutores.
Tendência de desenvolvimento da liga de alumínio de ultra-alta resistência
A liga de alumínio de ultra-alta resistência é um importante material estrutural leve e de alta resistência com amplas perspectivas de aplicação. Atualmente, é necessário trabalhar nos seguintes aspectos:
1. A microliga composta é uma direção importante para o endurecimento das ligas de alumínio, e a investigação e o desenvolvimento devem ser levados a cabo de forma aprofundada e sistemática;
2. Melhorar a tecnologia tradicional de preparação da metalurgia do lingote e desenvolver processos avançados de preparação da formação por pulverização para obter uma estrutura de lingote de alta qualidade, etc.
A liga de alumínio de resistência ultra-elevada está a desenvolver-se no sentido de uma resistência específica elevada, módulo específico elevado, tolerância a danos elevados e resistência à corrosão. A fundição de purificação e a tecnologia avançada de produção de lingotes são pré-requisitos para o desenvolvimento, e a teoria do endurecimento é a base.
Com base na teoria de reforço existente, em primeiro lugar, combinando a teoria da micromecânica com a teoria dos defeitos dos microcristais para melhorar o nível de conceção da otimização da composição da liga;
Em segundo lugar, o desenvolvimento de uma teoria global de endurecimento multi-nível e multi-fase, utilizando a microligação para explorar o potencial das ligas, melhorar o desempenho das ligas e desenvolver novas tipos de alumínio ligas;
Em terceiro lugar, controlar com precisão a microestrutura das ligas para formar uma teoria de controlo preciso da estrutura e do desempenho e desenvolver ligas de alumínio de resistência ultra-elevada com melhor desempenho global.
A tendência de desenvolvimento da liga de alumínio de alta resistência.
A liga de alumínio de alta resistência é um importante material estrutural leve e de alta resistência com amplas perspectivas de aplicação. A aplicação do alumínio e das ligas de alumínio é desafiada por titânio e ligas de titânio e materiais compósitos, mas a sua posição como principal material estrutural mantém-se basicamente inalterada.
Atualmente, a tendência de desenvolvimento das ligas de alumínio de alta resistência é realizada nos seguintes aspectos:
(1) Micro-liga composta, adicionando oligoelementos de transição e elementos de terras raras, para desenvolver várias novas ligas de alumínio de alta resistência que satisfaçam diferentes necessidades.
(2) Melhorar a tecnologia tradicional de preparação da metalurgia do lingote, utilizando e investigando vários métodos avançados de tratamento de purificação e modificação do fundido para melhorar a qualidade metalúrgica dos lingotes.
(3) Estudo aprofundado do processo de tratamento térmico de ligas num estado de elevado teor de soluto, estudando o mecanismo de reforço da precipitação do tratamento de soluções sólidas de ligas e a precipitação de envelhecimento multi-nível e multi-fase em diferentes condições, melhorando a solubilidade supersaturada da matriz da liga, aumentando a fração volumétrica das fases precipitadas e optimizando a combinação de MPt, GBP e PEZ para obter uma elevada resistência, elevada tenacidade e boa resistência à corrosão da liga.
Aplicação e problemas actuais das ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas
O objetivo final do desenvolvimento de ligas de alumínio resistentes ao calor de solidificação rápida é substituir as ligas de titânio em peças de aeronaves. Nos últimos anos, os resultados da investigação mostraram que foram feitos progressos significativos neste domínio e que algumas propriedades das ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas já são comparáveis ou mesmo melhores do que certas ligas de titânio.
As ligas de alumínio resistentes ao calor de solidificação rápida têm sido utilizadas com sucesso para fabricar lâminas e palhetas de compressores, turbinas, dissipadores de calor e outros componentes de motores de turbinas a gás. Podem também ser utilizadas para produzir certas peças para foguetões e naves espaciais.
Quando as ligas de alumínio resistentes ao calor de solidificação rápida são utilizadas para fabricar componentes de aeronaves, o custo é geralmente apenas 30% a 50% do das ligas de titânio, enquanto o peso da aeronave pode ser reduzido em cerca de 15%. Se a sua resistência ao calor for melhorada, a gama de aplicações será alargada.
Direcções de investigação para ligas de alumínio resistentes ao calor no futuro
As futuras direcções de investigação para ligas de alumínio resistentes ao calor de solidificação rápida centrar-se-ão principalmente nos seguintes aspectos:
Desenvolvimento de novos processos de solidificação rápida de baixo custo. Em comparação com o processo RS/PM, o processo de solidificação rápida por deposição por pulverização simplifica o processo de produção, evita o problema da oxidação da interface das partículas de pó originais e pode melhorar a tenacidade da liga, reduzindo simultaneamente os custos de produção.
Por conseguinte, o processo de solidificação rápida por deposição por pulverização deve ser melhorado para aplicação prática.
Investigação adicional sobre o mecanismo de resistência ao calor da liga, incluindo o papel da matriz sobre-saturada durante o processo de aquecimento.
Estudar as causas da fragilização por temperatura na liga e encontrar soluções para melhorar ainda mais a sua tenacidade.
Os materiais compósitos são materiais com forte vitalidade que surgiram para satisfazer as necessidades do desenvolvimento científico moderno. São compostos por dois ou mais materiais com propriedades diferentes, combinados por vários meios tecnológicos.
Os materiais compósitos podem ser divididos em três categorias: Compósitos à base de polímeros (PMCs), compósitos à base de metais (MMCs) e compósitos à base de cerâmicas (CMCs).
A matriz dos materiais compósitos à base de metal é principalmente o alumínio, o níquel, o magnésio, o titânio, etc. O alumínio tem muitas características no fabrico de materiais compósitos, tais como peso leve, pequena densidade, boa plasticidade, tecnologia de compósitos fácil de dominar e fácil processamento.
Além disso, os compósitos à base de alumínio têm elevada resistência específica e rigidez específica, bom desempenho a altas temperaturas, melhor resistência à fadiga e ao desgaste, excelente desempenho de amortecimento e baixo coeficiente de expansão térmica.
Tal como outros materiais compósitos, pode combinar propriedades mecânicas e físicas específicas para satisfazer as necessidades dos produtos. Por conseguinte, os compósitos à base de alumínio tornaram-se um dos materiais mais utilizados e importantes entre os compósitos à base de metal.
Principais tipos e visão geral das aplicações.
De acordo com os diferentes tipos de reforço, os compósitos à base de alumínio podem ser divididos em compósitos à base de alumínio reforçados com fibras e compósitos à base de alumínio reforçados com partículas.
Os compósitos à base de alumínio reforçados com fibras têm uma série de excelentes propriedades, tais como elevada resistência específica, elevado módulo específico, boa estabilidade dimensional, etc., mas são dispendiosos.
Atualmente, são utilizados principalmente no domínio aeroespacial como materiais estruturais para naves espaciais, satélites artificiais, estações espaciais, etc. Os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas podem ser utilizados para fabricar materiais estruturais para satélites e para a indústria aeroespacial, componentes de aeronaves, sistemas ópticos de espelhos metálicos e componentes automóveis;
Além disso, podem também ser utilizados para fabricar componentes de circuitos de micro-ondas, peças de precisão para sistemas de navegação por inércia, propulsores de turbocompressores, dispositivos de embalagem eletrónica, etc.
Os componentes básicos dos compósitos à base de alumínio são:
O alumínio e as suas ligas são adequados como matrizes para compósitos de matriz metálica. O reforço dos compósitos à base de alumínio pode ser constituído por fibras contínuas, fibras curtas ou partículas de formas esféricas ou irregulares.
Atualmente, os materiais de reforço de partículas para compósitos à base de alumínio incluem SiC, AL2O3, BN, entre outros. Compostos intermetálicos como Ni-Al, Fe-Al e Ti-Al também têm sido utilizados como partículas de reforço.
Desempenho de materiais compósitos à base de alumínio.
1. Baixa densidade.
2. Boa estabilidade dimensional.
Resistência, módulo e plasticidade. A adição de reforços em materiais compósitos à base de alumínio aumenta a sua resistência e módulo, enquanto diminui a sua plasticidade.
4. Resistência ao desgaste.
A elevada resistência ao desgaste é uma das características dos materiais compósitos à base de alumínio (reforçados com SiC ou Al2O3).
5. Fadiga e fratura resistência.
O resistência à fadiga dos materiais compósitos à base de alumínio é geralmente mais elevada do que a do metal de base, enquanto a resistência à fratura diminui. Os principais factores que afectam o desempenho à fadiga e a fratura dos materiais compósitos à base de alumínio são o estado de ligação da interface entre o reforço e a matriz, as propriedades da matriz e do próprio reforço, e a distribuição do reforço na matriz.
6. Desempenho térmico.
O desfasamento da expansão térmica entre o reforço e a matriz é difícil de evitar em qualquer material compósito.
A fim de reduzir eficazmente o coeficiente de expansão térmica dos materiais compósitos e de os manter termicamente combinados com materiais semicondutores ou substratos cerâmicos, são frequentemente utilizadas ligas de baixa expansão como matrizes e são preparados materiais compósitos com fracções de volume elevado de partículas de diferentes tamanhos.
Tabela 1 Desempenho de materiais de reforço comuns
| Nome da fibra ou partícula | Densidade | Resistência à tração | Módulo de elasticidade |
| ρ (g-cm-1) | σb/GPa | E/GPa | |
| Fibra de vidro (alto módulo) | 2.5-2.6 | 3.8-4.6 | 93-108 |
| Fibra de carbono (alto módulo) | 1.75-1.95 | 2.3~2.9 | 275-304 |
| Fibra de boro | 2.5 | 2.8-3.1 | 383-392 |
| Fibra de aramida | 1.43-1.46 | 5 | 134 |
| Fibra de Al2O3 | 3.97 | 2.1 | 167 |
| Fibra SlC | 3.18 | 3.4 | 412 |
| Bigodes SlC | 3.19 | 3-14 | 490 |
| Partículas de Al2O3 | 3.95 | 0,76 ( σ tc) | 400 |
| Liga de matriz | SiCp (fração de volume) /% | E /GPa | σ0. 2 /MPa | σb /MPa | δ /% |
| 6061 | 0 15 20 25 30 40 | 68 96 103 113 120 144 | 275 400 413 427 434 448 | 310 455 496 517 551 586 | 12 7.5 5.5 4.5 3.0 2.0 |
| 2124 | 0 20 25 30 40 | 71 103 113 120 151 | 420 400 413 441 517 | 455 551 565 593 689 | 9 7.0 5.6 4.5 1.1 |
Aplicações de materiais compósitos à base de alumínio.
(1) Aplicações de materiais compósitos à base de alumínio na indústria automóvel.
A investigação sobre a aplicação de materiais compósitos à base de alumínio na indústria automóvel começou mais cedo. Na década de 1980, a Toyota preparou com sucesso pistões de motor utilizando materiais compósitos.
Nos Estados Unidos, foram desenvolvidos materiais compósitos à base de alumínio reforçado com partículas para o fabrico de discos de travão para automóveis, que reduziam o peso, melhoravam a resistência ao desgaste, reduziam significativamente o ruído e tinham uma rápida dissipação do calor por fricção.
A empresa também utilizou materiais compósitos à base de alumínio reforçado com partículas para fabricar componentes automóveis, tais como pistões de motores e caixas de velocidades.
A caixa de velocidades feita de materiais compósitos apresenta melhorias significativas em termos de força e resistência ao desgaste em comparação com a caixa de velocidades em liga de alumínio. Os materiais compósitos de liga de alumínio também podem ser utilizados para fabricar rotores de travões, pistões de travões, pastilhas de travões, pinças e outros componentes do sistema de travões.
Os materiais compósitos à base de alumínio também podem ser utilizados para fabricar peças para automóveis, como veios de transmissão e balancins.
(2) Aplicações de materiais compósitos à base de alumínio na indústria aeroespacial
O desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas tem apresentado requisitos cada vez mais elevados para o desempenho dos materiais, especialmente no domínio aeroespacial, onde é necessário fabricar aviões e satélites leves, flexíveis e de elevado desempenho. Os materiais compósitos à base de alumínio podem satisfazer estes requisitos.
Ao utilizar o investimento processo de fundição para desenvolver materiais compósitos, o material pode substituir a liga de titânio no fabrico de suportes de lentes de câmaras de grande diâmetro e peso para aviões, reduzindo significativamente o seu custo e peso e melhorando a condutividade térmica.
Ao mesmo tempo, este material compósito também pode ser utilizado para fabricar suportes para rodas de reação de satélites e estruturas direccionais.
(3) Aplicações em eletrónica e instrumentos ópticos
Os materiais compósitos à base de alumínio, especialmente os materiais compósitos reforçados à base de alumínio, são adequados para o fabrico de materiais de revestimento de equipamentos electrónicos, dissipadores de calor e outros componentes electrónicos devido às suas vantagens de baixo coeficiente de expansão térmica, baixa densidade e boa condutividade térmica.
O coeficiente de expansão térmica dos materiais compósitos à base de alumínio reforçado com partículas pode corresponder completamente ao dos materiais dos dispositivos electrónicos, e têm também uma excelente condutividade eléctrica e térmica. Em termos de investigação sobre a aplicação de instrumentos de precisão e instrumentos ópticos, os materiais compósitos à base de alumínio são utilizados para fabricar componentes como a estrutura de suporte e o espelho secundário dos telescópios.
Além disso, os materiais compósitos à base de alumínio podem também ser utilizados para fabricar peças de precisão para sistemas de navegação inercial, espelhos de varrimento rotativos, espelhos de observação de infravermelhos, espelhos laser, giroscópios laser, reflectores, bases de espelhos e suportes de instrumentos ópticos para muitos instrumentos de precisão e instrumentos ópticos.
(4) Aplicação em equipamentos desportivos.
Os compósitos à base de alumínio podem ser utilizados para fabricar raquetes de ténis, canas de pesca, tacos de golfe e esquis como substitutos da madeira e dos materiais metálicos. As engrenagens de corrente de bicicleta feitas com compósitos à base de alumínio reforçados com partículas são leves, rígidas e não são facilmente dobradas ou deformadas, com melhor desempenho do que as engrenagens de corrente de liga de alumínio.
Compósitos à base de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício.
O material compósito à base de alumínio mais promissor é o compósito à base de alumínio reforçado com partículas de carboneto de silício.
Os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício são amplamente reconhecidos como um dos mais competitivos tipos de metal materiais compósitos de matriz.
Embora as suas propriedades mecânicas, especialmente a resistência, não sejam comparáveis às dos compósitos de fibras contínuas, tem vantagens significativas em termos de custos e é mais fácil de preparar com métodos de preparação mais flexíveis e diversificados. Também pode ser processado secundariamente utilizando equipamento metalúrgico tradicional, facilitando a produção em massa.
Na década de 1990, após o fim da Guerra Fria, devido à redução do investimento na indústria da defesa por parte de vários países, mesmo os sectores de alta tecnologia, como o aeroespacial, tiveram cada vez mais dificuldade em aceitar o elevado custo dos compósitos à base de alumínio reforçado com fibras.
Por conseguinte, os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas voltaram a receber uma atenção generalizada. Especialmente nos últimos anos, como componente chave de suporte de carga, encontrou finalmente o seu caminho para aeronaves avançadas, e as suas perspectivas de aplicação estão a tornar-se mais optimistas, o que levou a um ressurgimento do trabalho de investigação e desenvolvimento.
Tendências e direcções de desenvolvimento
Atualmente, o principal problema enfrentado pelos compósitos à base de alumínio é o elevado custo de fabrico, especialmente para os compósitos à base de alumínio reforçados com fibras.
Com a continuação da investigação sobre a teoria da ligação entre o reforço e a matriz, bem como o desenvolvimento contínuo de reforços e processos de preparação de baixo custo, juntamente com a reciclagem de materiais residuais, os compósitos à base de alumínio manterão um excelente desempenho, tornando-se simultaneamente mais rentáveis, o que fará com que os seus campos de aplicação sejam cada vez mais vastos.
As direcções de desenvolvimento das ligas de alumínio são:
A adição de elementos de terras raras adequados às ligas de alumínio pode ter um efeito de refinação, incluindo:
As terras raras têm um efeito de refinação nas ligas de alumínio.
As terras raras têm um efeito modificador nas ligas de alumínio-silício.
As ligas de alumínio de terras raras são um material ideal para substituir o cobre no fabrico de fios e cabos. Os lingotes de alumínio produzidos pelas fundições chinesas têm um elevado teor de silício, devido à influência dos recursos naturais, e o silício é a principal impureza prejudicial que afecta a condutividade.
No passado, a condutividade eléctrica dos fios de alumínio produzidos na China não cumpria frequentemente as normas da Comissão Eletrotécnica Internacional, o que se tornou um problema de longa data para a indústria de fios de alumínio.
Os cientistas chineses resolveram este problema com a ajuda de terras raras. Foram os primeiros no mundo a utilizar quantidades vestigiais de terras raras para tratar o alumínio líquido, permitindo-lhe formar compostos de silício com precipitação de silício nos limites dos grãos.
Além disso, o efeito de microliga das terras raras supera os efeitos nocivos do silício, melhorando significativamente a condutividade. As terras raras também podem refinar os grãos e fortalecer a matriz, melhorando a resistência mecânica e o desempenho do processamento de fios e cabos.
Consequentemente, a condutividade eléctrica dos fios e cabos de alumínio fabricados na China não só é ligeiramente superior às normas da Comissão Eletrotécnica Internacional, como também a resistência mecânica aumentou em 20%, a resistência à corrosão duplicou e a resistência ao desgaste aumentou cerca de 10 vezes.
Isto mudou completamente o atraso da produção chinesa de fios e cabos de alumínio, trazendo os produtos para o nível avançado internacional.
Na verdade, o nosso grupo achou que o relatório de investigação sobre ligas de alumínio organizado pelo colégio era muito significativo e necessário.
Através do auto-estudo, obtivemos alguns conhecimentos que não tínhamos antes na realização do relatório do projeto.
Primeiro, aprendemos o método de auto-aprendizagem que nos acompanhará na sociedade;
em segundo lugar, aprendemos a recolher e a organizar informação;
Em terceiro lugar, aprendemos o que é o trabalho de equipa e compreendemos a importância da união e da cooperação. Antes, não compreendíamos muito bem estes conceitos, mas agora, através destas actividades de aprendizagem, sabemos melhor.
No início, eu não sabia o que era liga de alumínio. Sabia apenas que era utilizada em muitos sítios na vida, mas não conhecia as suas propriedades e classificação. Agora já sei, e aprendi sobre isso através do auto-estudo no relatório do projeto.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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