ALUMÍNIO
O que é o Alumínio ?
O alumínio é um metal branco acinzentado leve e não tóxico que, embora seja o 3° elemento em abundância na litosfera, não é encontrado em estado puro na natureza, mas sim sob apenas na forma combinada pelo fato de ser muito reativo. As suas características físico-químicas são:
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 (g/cm3): 2,702
Ponto de Fusão (K): 933,7
Ponto de Ebulição (K): 2792,0
Condutividade Térmica (W/m.k): 235,0
Resistividade Elétrica (10-8.Ohm.m): 2,65

Ele é facilmente oxidado, sendo resistente a corrosão devido à formação de uma película de óxido de alumínio (Al2O3).
O metal reage para formar compostos em que ele apresenta número de oxidação +3 (excepcionalmente pode apresentar número de oxidação +1); o alumínio reage com ácidos não oxidantes, liberando gás hidrogênio (H2) e formando o cátion Al+3; ele também reage com base concentrada, produzindo gás hidrogênio (H2) e o íon aluminato, Al(OH)4. Estas reações do metal com ácidos e com bases, mostram seu caráter anfótero. (substância anfotérica é aquela que reage tanto com uma base, quanto com um ácido).
Energias de Ionização (kJ/mol):
1ª 577,5
2ª 1816,5
3ª 2744,8
4a 11577,0
5ª 14842,0
6ª 18379,0
7ª 23326,0
Calor Específico (J/g.K): 0,9
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 (pm):
Íon Al (I): 50,0
Estrutura Cristalina: CFC


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

Origem do nome: do latim "alumen" meaning "alum"
Traduções:
Alemão: aluminium
Inglês: aluminium
Espanhol: aluminio
Francês: aluminium
Italiano: alluminio
Riscos: Não apresenta risco
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).
Isótopos:
Al27 100% na natureza estável

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

Ocorrência
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.
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.

Obtenção do Alumínio
Para a obtenção do alumínio a partir do minério não é possível recorrer-se a processos metalúrgicos devido a alta afinidade do elemento com o oxigênio. O processo empregado é o seguinte:
a) Fase química: extração do óxido (Al2O3) que contém o metal;
b) Fase eletrolítica: eletrólise da alumina dissolvida em um sal fundido.

Na fase química o processo mais comum é o método Bayer (Figura 3) que consiste nos seguintes passos:
- moagem fina do minério;
- calcinação a 900°C;
- autoclavar mistura do 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, decompondo o aluminato em hidróxidos de alumínio e de sódio
[ 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 ]

Nesta fase são gastos cerca de 2 kg de bauxita, 2 kg de combustível e 2 kWh de eletricidade por kg de Al2O3 obtido.
Na fase eletrolítica (figura 4)a alumina é processada da seguinte maneira:
- dissolução da alumina em criolita fundida a 930°C a 5%;
- eletrólise em cuba eletrolítica durante 24-18 horas a 100.000 A e 5-6 V;
- limpeza de escórias e adição de ligantes em forno contínuo;

A cuba eletrolítica (figura 5) é constituida por um recipiente de ferro revestido por carvão nas laterais e parte inferior, funcionando como cátodo; o ânodo é formado por eletrodo tipo Söderberg que consiste numa camisa metálica na qual vai sendo despejada continuamente do alto uma pasta de carvão e piche durante a eletrólise. A 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). Os 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.
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.

Ligas de Alumínio e Principais Aplicações
Os elementos de liga mais comuns adicionados ao alumínio são, com as suas respectivas influências:
Principais elementos de liga e seus efeitos.
Elemento de liga
Percentagem Típica
Vantagem
Desvantagem
Cu
3 a 11%
- confere alta resistência mecânica
- facilita trabalho de usinagem
- diminui resistência à corrosão salina
- fragilidade a quente
Si
12 a 13%
- aumenta fluidez na fundição
- reduz coeficiente de dilatação
- melhora a soldabilidade
- diminui usinabilidade
Mg
> 8%
- confere alta soldabilidade
- aumenta resistência a corrosão em meio salino
- possibilita tratamento térmico de ligas de Al-Si
- dificulta fundição devido a oxidação (borra) e absorção de impurezas (Fe e outros)
Zn
0,05 a 2,2%
- sempre associado ao Mg
- confere alta resistência mecânica
- aumenta ductilidade
- diminui resistência à corrosão salina
- fragilidade a quente
- alta contração em fundição
Mn
0,5 a 10,7%
- como corretor
- aumenta resistência mecânica a quente
- pequena diminuição da ductilidade

As ligas de alumínio podem ser divididas em dois grandes grupos:
a) Ligas tratáveis térmica ou mecanicamente:
- ligas tratáveis termicamente: Al-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg;
- ligas endurecidas por trabalho mecânico (encruáveis): Al-Mg, Al-Si
b) Ligas para fundição

A tabela 2 apresenta uma visão geral das séries de ligas de alumínio mais empregadas, juntamente com sua classificação pelo AA (Aluminum Association).
Tabela 2 – Principais ligas de alumínio.
Ligas Tratáveis
Designação AA
Características
Usos
Al > 99,0%
1XXX
- Tratáveis Termicamente
- Ótima resistência à corrosão
- Ótima soldabilidade
- Ótima conformabilidade
- Condutores elétricos
- Revestimento em Alclads
- Equip. químicos e alimentares
- Embalagens
- Refletores
- Utensílios domésticos
- Aeronáutica (Alclad com liga 2024)
Al-Cu
2XXX
- Tratáveis Termicamente
- Boa resistência
- Boa usinabilidade
- Peças usinadas (ambiente não corrosivo)
- Aviões
- Automóveis
- Estruturas
- Relojoaria
Al-Mn
3XXX
- Tratáveis Termicamente
- Boa ductilidade
- Média resistência
- Excelente soldabilidade
- Tubos soldados
- Caldeiraria
- Peças fabricadas por embutimento
Al-Si
4XXX
- Tratáveis por Encruamento
- Média soldabilidade
- Boa resistência mecânica
- Peças forjadas (pouco usadas)
Al-Mg
5XXX
- Tratáveis por Encruamento
- Ótima resistência à corrosão salina
- Boa soldabilidade
- Formas arquitetônicas e estruturais
- Equip. químicos, alimentares, têxteis e de mineração
- Depósitos de gás liquefeito
- Navios
- Ferragens
Al-Mg-Si
6XXX
- Tratáveis Termicamente
- Fácil fabricação
- Boa resistência mecânica
- Excelente conformabilidade
- Boa resistência à corrosão
- Formas aeronáuticas
- Formas estruturais
- Embalagens
- Equip. químicos, alimentares
- Indústria elétrica
Al-Zn-Mg
7XXX
- Tratáveis Termicamente
- Difícil produção (alto custo)
- Excelente resistência mecânica
- Boa conformabilidade
- Alta soldabilidade
- Melhor limite de
- Boa usinabilidade
- Boa resistência a ambiente industrial menos os salinos
- Automóveis
- Equipamentos têxteis e de mineração
- Componentes de alta resistência
- Aviões (concorre com aços de alta resistência devido ao baixo peso)
- Industria bélica
Ligas para fundição
Designação AA
Características
Usos
Al > 99,0%
1XX.X
- Tratáveis Termicamente
- Ótima resistência à corrosão
- Ótima soldabilidade
- Ótima conformabilidade
- Utensílios domésticos
- Acessórios p/ ind. Química
- Rotores p/ motores de indução
- Ferragens elétricas
Al-Cu
2XX.X
- Tratáveis Termicamente
- Boa resistência mecânica
- Boa usinabilidade
- Fragilidade a quente
- Peças fundidas e/ou usinadas sujeitas a esforços, operando em ambiente não corrosivo
Al-Si-Cu/Mg
3XX.X
- Tratáveis Termicamente
- Fácil fabricação inclusive fundição sob pressão (FSP)
- Boa resistência
- Boa resistência à corrosão
- Automóveis
- Navios
- Carcaças de ventiladores e bombas
- Peças fundidas em geral sujeitas a solicitações de carga
Al-Si
4XX.X
- Tratáveis por Encruamento
- Excelente soldabilidade
- Excelente fluidez na fundição
- Baixa usinabilidade
- Boa resistência à corrosão
- Peças fundidas de paredes finas e intrincadas
- Peças anodizadas p/ arquitetura
- Utensílios domésticos
- Peças p/ aparelhos industriais
Al-Mg
5XX.X
- Não tratável termicamente, exceto a AA 520.2 (9,5%Mg)
- Melhores combinações de usinabilidade, propriedades mecânicas, resistência a corrosão e acabamento
- Peças fundidas que exigem a máxima resistência à corrosão
- Navios
- Peças ornamentais e anodizadas
Al-Sn e outros
8XX..X
- Tratáveis Termicamente
- Excelente resistência à corrosão a óleos lubrificantes
- Boa resistência à fadiga
- Mancais e buchas em eixos de caminhões e laminadores

Resistência a Corrosão das ligas de Alumínio

A posição do alumínio e de suas ligas na série galvânica é dada a seguir:

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

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 a seguir:
Acetato de Pb Cloreto de metila
Ácido brômico Cloreto de nitrosila
Ácido clorídrico Cl
Ácido fluorídrico Sais de Cu
Ácido fluorsilícico Xarope de Coca Cola
Ácido fórmico Compostos de Co
Ácido fosfórico Fosfato de Na tribásico
Ácido perclórico Fosgênio
Ácido sulfúrico Hidróxido de Na
Água régia Hipoclorito de Na
Aguardentes Hipoclorito de I
Arseniato de Pb Hipoclorito de Hg
Brometo de etila Sais de Hg
Carbonato de K Sais de Ni
Cianeto de K Pickles
Cloreto de acetila Compostos de Ag
Cloreto de Ca Sulfato férrico
Cloreto de Fe

Tratamentos Térmicos
O endurecimento e aumento das propriedades mecânicas das ligas tratáveis termicamente baseia-se na precipitação controlada do agente (ou agentes) de endurecimento (CuAl2 por exemplo). Os principais tratamentos térmicos das ligas de alumínio são:

Envelhecimento: (aumenta a resistência mecânica) 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. Consiste no 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. A precipitação ocorre após a têmpera com o passar do tempo naturalmente ou pode ser acelerada com aquecimento moderado para certas ligas (revenido ou envelhecimento artificial).
Estabilização: (alívio de tensões) tratamento usual para ligas encruáveis, consiste em 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: (aumenta a dustibilidade) 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: (aumenta ductibilidade e resistência mecânica) 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.
A seguir, são apresentadas as seqüências mais usuais de tratamentos para o alumínio e suas ligas relacionando-os com os símbolos representativos:

Símbolo e Tratamento
T1: Esfriamento de temperatura elevada de de conformação, seguida de envelhecimento natural
T2: Recozido (somente para ligas de fundição)
T3: Tratamento térmico de solubilização e posterior encruamento a frio
T4: Tratamento térmico de solubilização e posterior envelhecimento natural
T5: Envelhecimento artificial (nenhum tratamento térmico prévio, exceto esfriamento do estado de fabricação)
T6: Tratamento térmico de solubilização e posterior envelhecimento artificial
T7: Tratamento térmico de solubilização e posterior estabilização
T8: Tratamento térmico de solubilização e posterior encruamento a frio e envelhecimento artificial.
T9: Tratamento térmico de solubilização e posterior envelhecimento artificial e encruamento a frio
T10: Envelhecimento artificial (sem tratamento de solubilização) e encruamento a frio
O: Recozido (recristalizado)
F: Como fabricado (sem tratamento)
H, H12-19: Encruado a frio (duro, ½ duro, etc)
H22, H24: Encruado a frio e recozido parcialmente
H32, H34: Encruado a frio e estabilizado