Propriedades e usos do alumínio: Guia de engenharia para ligas e extrusões
O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre (8,2% em peso), mas nunca é encontrado na forma metálica: tem que ser refinado a partir do minério de bauxita. A importância da engenharia começa com a densidade: 2,70 g/cm3, cerca de um terço do aço, combinada com uma camada de óxido autocurativa que interrompe a maior parte da corrosão atmosférica antes que ela comece. A resistência ao escoamento varia de 90 MPa para metal puro recozido a mais de 570 MPa para ligas 7xxx tratadas termicamente. Essa propagação é o motivo propriedades e usos do alumínio determinar decisões de materiais em embalagens, transporte, distribuição elétrica e construção de máquinas.
Para compradores industriais, a frase se refere a perfis extrudados: vigas com ranhura em T da série 6xxx que transportam cargas, montam componentes e constroem estruturas de máquinas. Este artigo aborda os dados de propriedades que orientam a seleção, como o grau da liga altera o desempenho e onde essas propriedades aparecem em produtos reais.
Propriedades e usos do alumínio: os dados que orientam a seleção de materiais
As sete propriedades que regem a maioria das aplicações industriais de alumínio são densidade, limite de escoamento, módulo de elasticidade, resistência à corrosão, condutividade térmica, condutividade elétrica e coeficiente de expansão térmica.
2.70
densidade g/cm3
276
Rendimento em MPa, 6061-T6
102
resistência específica kN m/kg
235
Condutividade térmica máxima W/m.K
Principais propriedades do alumínio e seu impacto no design dos componentes
Propriedade
Valor típico
Impacto de Engenharia
Densidade
2,60-2,82g/cm3
65% mais leve que o aço; 70% mais leve que o cobre
Força de rendimento
90-500 MPa
Define limites de carga do quadro e tamanho da seção
Módulo de elasticidade
68-72GPa
Um terço da rigidez do aço; use seções mais grossas
Ponto de fusão
580-660°C
Limita o serviço em alta temperatura
Condutividade térmica
120-235 W/m.K
Dissipadores de calor, caixas de LED, ferramentas para moldes
Condutividade elétrica
30-38MS/m
52-61% SIGC; barramentos e classificações de cabos
CTE
21-24 um/m.K
Juntas de dilatação necessárias em vãos longos
O alumínio puro é macio e dúctil; recozido rendimentos de 1.100 folhas a aproximadamente 35 MPa. As ligas estruturais mudam esse quadro. Uma têmpera 6061-T6 atinge um limite de escoamento de 276 MPa com alongamento de 8-10%, razão pela qual a mesma liga serve tanto para revestimento arquitetônico quanto para estruturas de máquinas pesadas.
A densidade é o fator decisivo em estruturas móveis e sensíveis à energia. A substituição de uma estrutura de aço carbono por extrusões 6061-T6 de módulo de seção igual remove cerca de 65% do peso estrutural. Para um pórtico transportador ou uma célula robótica que se move a cada ciclo, essa economia se traduz diretamente em motores menores e menor inércia.
Força específica é igual ao limite de escoamento dividido pela densidade. Para alumínio 6061-T6: 276 MPa/2,70 g/cm3 equivale a cerca de 102 kN m/kg. Para aço estrutural S355: 355/7,85 equivale a cerca de 45 kN m/kg. O alumínio vence por um fator de 2,3 no projeto com tensão controlada.
Como o grau da liga muda o desempenho
A série de ligas é o primeiro ponto de decisão: 1xxx otimiza a pureza e a condutividade, 5xxx otimiza a resistência à corrosão marítima e 6xxx otimiza o equilíbrio entre resistência, resistência à corrosão e extrusabilidade.
As ligas de alumínio forjado são agrupadas em séries pelo seu principal elemento de liga. O seletor prático é assim:
1xxx - mínimo de 99% de alumínio; até 61% de condutividade IACS; folha, cabos, barramentos
2xxx - adições de cobre; Rendimento de 200-400 MPa; aeroespacial; fraca resistência à corrosão
3xxx - manganês; estoque corporal para latas de bebida; resistência e conformabilidade moderadas
5xxx - magnésio; 130-350 MPa; serviço marítimo e criogênico; endurecível por deformação
6xxx - magnésio mais silício; Rendimento de 170-290 MPa em T6; o padrão de extrusão
7xxx - zinco e magnésio; 400-600 MPa; aeroespacial; difícil de extrusão
A série 6xxx representa mais de 70% de todo o alumínio extrudado em todo o mundo. O magnésio e o silício formam precipitados endurecedores que respondem ao tratamento térmico da solução diretamente na linha de extrusão, produzindo seções ocas complexas com propriedades mecânicas consistentes.
Comparando Ligas de Extrusão Comuns
Dentro da família 6xxx, cinco ligas cobrem quase todas as necessidades de estrutura de ranhura em T:
6061-T6 é o padrão para sistemas industriais de ranhura em T porque usina de forma limpa, solda bem com enchimento 4043 ou 5356, anodiza uniformemente e oferece rendimento de 276 MPa com um prêmio modesto acima de 6063. Onde a anodização cosmética é mais importante, 6063 ou 6060 oferece um acabamento mais liso; onde as juntas soldadas dominam o caminho da carga, 6005A e 6082 são mais seguros.
Propriedades e usos industriais do alumínio: extrusões na construção de máquinas
A estrutura de extrusão com ranhura em T converte as propriedades mecânicas do alumínio em estruturas reconfiguráveis, como bases de máquinas, gabinetes de segurança, estações de trabalho, suportes de transportadores e bancadas de laboratório, montadas com fixadores padrão e sem soldagem.
Um perfil de ranhura em T possui canais em todo o seu comprimento que aceitam porcas em T, parafusos e ferragens de montagem em painel. O sistema é modular: cada perfil é cortado, perfurado e conectado com suportes de canto, reforços e pés ajustáveis. O maior benefício é a reconfigurabilidade: uma célula de trabalho pode ser desmontada e reconstruída em uma nova geometria com as mesmas vigas.
Os tamanhos das séries vão desde microperfis da série 15 até vigas para serviços pesados da série 120. Três perfis cobrem a maior parte da demanda de construção de máquinas:
Perfil 2020 (20 x 20 mm, ranhura de 6 mm) - pequena automação, suportes de sensores, estruturas de laboratório
Perfil 3030 (30 x 30 mm, ranhura de 8 mm) - proteção de luz, dispositivos de inspeção, bancadas de teste
Perfil 4040 (40 x 40 mm, ranhura de 8 mm) - bases de máquinas, gabinetes, estruturas de manuseio de materiais
Uma estrutura de máquina danificada é um reparo que leva 30 minutos, e não um projeto de fim de semana. Com extrusões de ranhura em T, desparafuse os suportes de canto, deslize para fora a viga danificada, deslize a peça de reposição e reaperte conforme as especificações. O tempo de inatividade cai de dias para minutos, uma vantagem direta de manutenção em relação às construções soldadas.
Fabricantes de perfis como Shanghai Huishuo Aluminum Industry Technology Co., Ltd., que opera três bases de produção em Xangai, Anhui e Jiangsu, aplicaram toda a gama de propriedades e usos do alumínio ao projeto de perfil: paredes espessadas para cargas pesadas, slots largos para ferragens maiores, anodização de duas cores para construções cosméticas e geometrias extra-pesadas para estruturas de automação de alta carga.
Tratamento de superfície: a variável oculta na vida útil
Os tratamentos de superfície transformam o alumínio de um material de estrutura de metal puro em um componente que resiste ao desgaste, isola eletricamente, controla a cor e atende aos requisitos de contato com alimentos ou de salas limpas.
O alumínio extrudado carrega uma película de óxido natural com aproximadamente 2-4 nm de espessura. Esse filme é suficiente para uso interno, mas os ambientes industriais exigem uma camada projetada:
Tratamentos comuns de superfície de alumínio e as propriedades de camada que eles adicionam
Tratamento
Espessura da Camada
Efeito Chave
Anodização, Tipo II
5-25 hum
Óxido duro; corantes; isolamento elétrico
Anodização dura, Tipo III
25-150 hum
Dureza superficial de 350-500 HV; placas de desgaste, guias
Revestimento em pó
60-120um
Gama completa de cores; resistência ao impacto; esconde linhas de solda
Eletroforese (DE)
15-25 hum
Uniforme preto ou prata; forte adesão; acabamento automotivo
A anodização dura tipo III converte o alumínio em uma superfície de rolamento. Um revestimento duro de 50 um atinge 350-500 HV, duro o suficiente para trilhos de movimento linear, guias de transporte e trilhos de came que executam milhares de ciclos por dia sem escoriações.
O jato de areia antes da anodização ou do revestimento remove as linhas da matriz de extrusão e produz uma textura fosca uniforme que melhora a adesão do revestimento e oculta a variação da superfície. Para estruturas externas, o revestimento em pó sobre um pré-tratamento de cromato ou zircônio é a opção padrão, com vida útil de 20 anos documentada nas fachadas dos edifícios.
Propriedades e usos do alumínio: perguntas frequentes
Qual é a diferença entre o alumínio 6061 e 6063 para esquadrias?
6063 oferece um acabamento anodizado mais suave e extrusabilidade ligeiramente melhor, mas menor resistência ao escoamento (214 MPa vs 276 MPa em T6). 6061 é a melhor escolha quando resistência, usinabilidade e soldabilidade são importantes, o que abrange bases de máquinas, estruturas estruturais e gabinetes de suporte de carga. Para acabamentos puramente arquitetônicos e seções decorativas, o 6063 ganha na qualidade da superfície.
Por que as extrusões de alumínio são preferidas ao aço soldado para equipamentos reconfiguráveis?
As extrusões são montadas com fixadores mecânicos, portanto não há distorção na solda, nenhuma zona afetada pelo calor e nenhuma necessidade de endireitamento pós-soldagem. Uma estrutura típica de ranhura em T da série 40 pode ser desmontada em vigas individuais em cerca de 15 minutos e remontada em um layout diferente. Uma estrutura de aço soldada requer corte e soldagem para qualquer alteração.
Quanto peso um perfil de alumínio 4040 pode suportar?
Um único perfil 4040 com espessura de parede de 2,5 mm abrangendo um metro com uma carga pontual no meio do vão é classificado na faixa de 1,5-3 kN sob fatores de segurança típicos, dependendo do módulo exato da seção e das condições finais. Para cargas mais altas, os perfis das séries 45 e 60 com paredes espessadas são o caminho de escalada padrão.
As extrusões de alumínio podem ser usadas ao ar livre ou em ambientes corrosivos?
Sim, com o acabamento correto. Os perfis anodizados 6063 ou 6061 sobrevivem a décadas de exposição externa em aplicações arquitetônicas. Em atmosferas costeiras ou quimicamente agressivas, o revestimento em pó ou camadas anodizadas duras acima de 6061-T6 fornecem a proteção recomendada; 6005A é preferido quando juntas soldadas estão expostas.
