Tratamento térmico de alumínio: seu guia completo

17 mai 2024 Roberto Magalhães

1. Processo de tratamento térmico de alumínio e liga de alumínio

1.1 Finalidade do tratamento térmico de alumínio e ligas de alumínio

O objetivo é aquecer os materiais de alumínio e ligas de alumínio a uma determinada temperatura e mantê-los nessa temperatura por um determinado período de tempo para obter a estrutura e as propriedades desejadas do produto.

1.2 Principais métodos de tratamento térmico de alumínio e ligas de alumínio e seus princípios básicos

1.2.1 Classificação do tratamento térmico de alumínio e ligas de alumínio (ver Figura 1)

Figura 1: Classificação do tratamento térmico de alumínio e ligas de alumínio

1.2.2 Princípios básicos do tratamento térmico de alumínio e ligas de alumínio

(1) Recozimento: O produto é aquecido a uma determinada temperatura, mantido nessa temperatura por um determinado período de tempo e depois resfriado à temperatura ambiente a uma determinada taxa de resfriamento. Através da difusão e migração atômica, a estrutura torna-se mais uniforme e estável, as tensões internas são aliviadas e a ductilidade do material pode ser bastante melhorada, embora a resistência diminua.

① Recozimento de homogeneização de lingotes: O lingote é mantido em alta temperatura por um longo período de tempo e depois resfriado a uma determinada taxa (alta, média, baixa ou lenta) para homogeneizar sua composição química, estrutura e propriedades. Isto pode aumentar a ductilidade do material em cerca de 20%, reduzir a pressão de extrusão em cerca de 20%, aumentar a velocidade de extrusão em cerca de 15% e melhorar a qualidade do tratamento de superfície.

② Recozimento intermediário: Também conhecido como recozimento local ou recozimento processo a processo, é feito para melhorar a ductilidade do material e eliminar tensões internas do processamento. Trata-se de manter o material a uma temperatura mais baixa durante um período de tempo mais curto, a fim de facilitar o processamento posterior ou obter uma combinação específica de propriedades.

③ Recozimento total: Também conhecido como recozimento final, envolve aquecer o material a uma temperatura relativamente alta, mantê-lo nessa temperatura por um determinado período de tempo e obter uma estrutura amolecida em estado totalmente recristalizado com melhor ductilidade e menor resistência .

(2) Tratamento térmico e têmpera em solução:

Este método envolve o aquecimento de materiais de liga de alumínio que podem ser reforçados por meio de tratamento térmico a uma temperatura relativamente alta e sua manutenção lá por um determinado período de tempo. Isto permite que a segunda fase ou outros componentes solúveis do material se dissolvam completamente na matriz de alumínio, formando uma solução sólida supersaturada. O material é então resfriado rapidamente até a temperatura ambiente usando um método de têmpera rápida. Isso cria um estado instável porque os átomos do soluto estão em um estado de energia mais elevado e podem precipitar a qualquer momento. Porém, o material nesta fase apresenta maior ductilidade e pode sofrer processos de trabalho a frio ou endireitamento.

① Têmpera em linha: Para algumas ligas que não são altamente sensíveis à têmpera, o tratamento em solução pode ser realizado durante a extrusão em alta temperatura, seguido de resfriamento a ar (T5) ou têmpera com névoa de água (T6) para atingir certas estruturas e propriedades.

② Têmpera off-line: Para materiais de liga altamente sensíveis à têmpera, eles devem ser reaquecidos a uma alta temperatura e mantidos nessa temperatura por um determinado período de tempo em um forno especial de tratamento térmico. Eles são então temperados em água ou óleo com um tempo de transferência não superior a 15 segundos para obter certas estruturas e propriedades. Dependendo do equipamento utilizado, isso pode ser feito através de têmpera em banho de sal, têmpera a ar, têmpera vertical ou têmpera horizontal.

(3) Envelhecimento: Após o tratamento térmico da solução e têmpera, o material é mantido em temperatura ambiente ou em temperatura mais alta por um determinado período de tempo. A solução sólida supersaturada instável se decomporá e as partículas da segunda fase precipitarão (ou assentarão) a partir da solução sólida supersaturada e se distribuirão em torno dos grãos de alumínio alfa (AL), resultando em um efeito de fortalecimento denominado fortalecimento de precipitação (ou sedimentação).

Envelhecimento natural: Algumas ligas (como 2024) podem produzir fortalecimento por precipitação à temperatura ambiente, o que é chamado de envelhecimento natural.

Envelhecimento artificial: Algumas ligas (como 7075) não apresentam fortalecimento óbvio por precipitação à temperatura ambiente, mas demonstram fortalecimento significativo por precipitação em temperaturas mais altas, o que é chamado de envelhecimento artificial.

O envelhecimento artificial pode ser dividido em subenvelhecimento e superenvelhecimento:

① Envelhecimento: envolve controlar a temperatura de envelhecimento para ser mais baixa e o tempo de retenção mais curto para obter certas propriedades.

② Sobreenvelhecimento: Envelhece a uma temperatura mais elevada ou por um período de tempo mais longo para obter propriedades especiais ou propriedades mais abrangentes.

③ Envelhecimento em vários estágios: envolve dividir o processo de envelhecimento em vários estágios, a fim de obter certas propriedades especiais e boas propriedades abrangentes. Isso pode ser dividido em envelhecimento em dois e três estágios.

(4) Tratamento de reversão: envolve o aquecimento do produto que foi temperado e envelhecido a uma temperatura elevada durante um curto período de tempo, a fim de melhorar a sua ductilidade e facilitar a flexão a frio ou corrigir tolerâncias de forma. Isso restaura o produto para um novo estado extinto.

2. Notação de status de produto de alumínio e liga de alumínio

2.1 Códigos básicos de status do produto, conforme mostrado na Tabela 1:

Tabela 1: Códigos básicos de status do produto

Código	Nome	Explicação e Aplicação
F	Status de processamento gratuito	É aplicável a produtos sem requisitos especiais para condições de endurecimento e tratamento térmico durante o processo de conformação, e as propriedades mecânicas dos produtos neste estado não são especificadas
Ó	Estado de recozimento	Adequado para produtos processados que passaram por recozimento completo para atingir a menor resistência
H	Estado de endurecimento por trabalho	É aplicável aos produtos cuja resistência é melhorada através do endurecimento. O produto pode passar (ou não) por tratamento térmico adicional após o endurecimento por trabalho para reduzir a resistência. O código H deve ser seguido por dois ou três algarismos arábicos
C	Estado de tratamento térmico de solução sólida	Estado instável aplicável apenas a ligas que passam por tratamento térmico em solução e envelhecimento natural à temperatura ambiente. Este código de estado indica apenas que o produto está em fase de envelhecimento natural
T	Estado de tratamento térmico (diferente do estado F, O, H)	É aplicável ao código T de produtos que foram (ou não foram) endurecidos por trabalho até um estado estável após tratamento térmico e devem ser seguidos por um ou mais algarismos arábicos

2.2 Subdivisão do status H (endurecimento por trabalho)

H1– Estado de endurecimento simples. Aplicável a produtos que não sofreram tratamento térmico adicional e que obtiveram a resistência necessária apenas através do endurecimento.

H2– Endurecimento por trabalho e estado de recozimento incompleto. Aplicável a produtos onde o grau de endurecimento excede os requisitos especificados para produtos acabados e a resistência é reduzida ao alvo especificado através de recozimento incompleto. Para ligas que amolecem naturalmente à temperatura ambiente, H2 tem o mesmo valor mínimo de resistência à tração que o H3 correspondente; para outras ligas, H2 tem o mesmo valor mínimo de resistência à tração final que o H1 correspondente, mas com alongamento ligeiramente maior que H1.

H3– Estado de tratamento de endurecimento e estabilização por trabalho. Aplicável a produtos cujas propriedades mecânicas foram estabilizadas após tratamento térmico a baixa temperatura ou devido ao aquecimento durante o processamento após o endurecimento por trabalho. O status H3 aplica-se apenas a ligas que envelhecem gradualmente e amolecem à temperatura ambiente (a menos que sejam estabilizadas).

H4– Estado de endurecimento e tratamento de pintura. Aplicável a produtos que foram submetidos a endurecimento e recozidos de forma incompleta devido ao tratamento de pintura.

O segundo dígito após H representa o grau de endurecimento do produto. O número 8 representa um estado difícil.

Tratamento de estabilização: Para evitar o fenômeno de amolecimento que ocorre após o armazenamento prolongado da liga após trabalho a frio, o produto é submetido a recozimento em baixa temperatura (aquecimento a 150°C por 3 horas) após deformação a frio. Isto pode estabilizar as propriedades mecânicas da liga armazenada à temperatura ambiente.

2.3 Classificação do código de estado de recozimento (O)

2.3.1 O1- Recozimento de homogeneização.

2.3.2 O2- Recozimento incompleto (parcial) do produto.

2.3.3 O3- Recozimento completo do produto.

3. Tabela de controle de temperaturas para processo de envelhecimento do forno

Câmara de combustão:

Definir temperatura na tabela de controle de temperatura: 200-215 ℃

Temperatura exibida na tabela de controle de temperatura: 190-210°C

Temperatura medida dentro do forno: 200-210°C

Ventilador traseiro direito: Temperatura definida para o ventilador: 160-180 ℃

Temperatura exibida no medidor do ventilador: 200-210°C

Temperatura controlada dentro do forno: 200-210°C

Display: Temperatura exibida na tabela de controle de temperatura: 190-205°C

Temperatura medida dentro do forno: 200-210°C

Display: Temperatura exibida na tabela de controle de temperatura: 195-210°C

Temperatura medida dentro do forno: 200-210°C

4. Cálculo de Energia do Forno de Envelhecimento

Motor (perda de energia elétrica)

Queimador (perda de combustível)

Consumo de energia para aquecimento (forno de resfriamento, forno de aquecimento)

Consumo de energia para isolamento

Tempo de isolamento Falha do forno por envelhecimento (afeta a dureza do processo)

Potência do motor: 40/55W/h, corrente: 81/98A, tensão: 380V, velocidade: 740/1480r/min

Motor assíncrono trifásico multivelocidade com modelo YD2808-8/4.

Distribuição de energia para fornos envelhecidos

Modelo XL-21, tensão nominal: 380V, corrente nominal: 1A.

Pergunta: O processo de envelhecimento do forno de envelhecimento foi classificado apenas de acordo com o status da liga, mas não há especificações claras para diferentes espessuras de parede da mesma liga. Qual é a diferença máxima na espessura da parede que pode ser envelhecida em conjunto?

5. Como ajustar o fluxo de ar na saída de extrusão?

Quando o material na saída de extrusão enrola para cima, é necessário reduzir adequadamente a velocidade do ar ascendente ou fechar o ventilador superior; quando o material na saída de extrusão se curva para baixo, é necessário reduzir adequadamente a velocidade do ar descendente ou fechar o ventilador inferior.

6. Diretrizes para Execução do Processo de Envelhecimento (Para Forno de Envelhecimento No. 3 na Quarta Planta)

Com base nos dados coletados durante uma investigação do processo deste forno, serão feitos ajustes nos parâmetros de controle de temperatura durante a operação.

Processo de envelhecimento			Regras Executivas
Estado da liga	Tempo de espera ℃	Tempo de isolamento h	Tempo de isolamento (com base na espessura da parede) h			Temperatura do tempo de retenção
Estado da liga	Tempo de espera ℃	Tempo de isolamento h	1,0 mm	1,0-4,0 mm	4,0-30 mm	Medidor de controle de temperatura do ventilador	Tabela de controle de temperatura do motor de combustão
T6	175±8	8	8	8	10	171	171
T5	200±8	2	2	2,5	3	197	197
T52	235±8	1,5	1,5	2	1	230	230

Observação:

Quando pelo menos duas tabelas de controle de temperatura (ventilador e queimador) atingirem a temperatura configurada, o tempo de isolamento começa a ser calculado.

A determinação do tempo de isolamento é baseada na espessura máxima da parede dos perfis no interior do forno.

Para perfis com maior densidade de cestos, é necessário prolongar adequadamente o tempo de isolamento.

O processo de envelhecimento para os estados 6005-T5, 6005A-T5 e T6511 é realizado de acordo com o sistema T6.

Se for necessário fazer ajustes no processo de envelhecimento para variedades específicas, siga as instruções do departamento de processamento.

Ao usar moldes de cavidade dupla para extrusão, deve-se prestar atenção ao ajuste da vazão de cada furo para garantir consistência. Durante a extrusão, os problemas de fluxo de alumínio nos lingotes devem ser monitorados.

Para dominar o padrão GB-5237, é importante compreender a torção, as tolerâncias e ser capaz de usar tabelas de referência. Além disso, é crucial ser proficiente na identificação de bolhas no início e no final dos perfis de matrizes planas e observar que as matrizes combinadas, especialmente para tubos, podem apresentar menos problemas de bolhas.

7. Precauções para Extrusão

7.1 Para ligas da série 6xxx, as propriedades mecânicas não podem ser garantidas em temperaturas abaixo de 500°C e a qualidade da superfície é ruim acima de 560°C.

7.2 Geralmente, a relação entre velocidade de extrusão e temperatura é a seguinte: alta velocidade em baixa temperatura, baixa velocidade em alta temperatura. A velocidade de extrusão deve ser aumentada tanto quanto possível, com temperaturas definidas no limite inferior da tabela, mas a temperatura de saída deve atender aos requisitos especificados.

7.3 Para moldes com grandes parâmetros de extrusão, especialmente aqueles com muitos furos de canal, as temperaturas do molde e da barra de alumínio devem ser ajustadas para o limite superior. Contudo, a velocidade deve ser reduzida nas fases posteriores da extrusão.

7.4 Para moldes especiais de perfil de dissipador de calor, a temperatura do molde deve estar acima de 480°C e a temperatura da haste de alumínio deve estar acima de 530°C.

7.5 Os padrões de desempenho mecânico variam entre os diferentes países e estão relacionados com a secção transversal dos perfis. Se o desempenho mecânico não atender aos requisitos da tabela, o pessoal técnico deverá consultar as normas nacionais relevantes ou comunicar-se com o cliente para determinar se está qualificado ou se deve ser liberado. O desempenho mecânico pode ser executado de acordo com acordos técnicos se houver requisitos específicos do usuário.

8. Materiais de polimento

As hastes homogêneas 6463-T5 devem ser extrudadas em baixa temperatura e alta velocidade (460-480 ℃).

8.1 Arranhões mecânicos superficiais causados por moldes são um problema comum.

8.2 Problemas como corte e segmentação de transferência causando arranhões, abrasões, linhas brancas, linhas brilhantes, marcas de encolhimento, puxões de lã, bordas, ondas, torções, desvios dimensionais geométricos, arranhões falsos e casca de laranja ocorrem frequentemente.

9. Tratamento Mecânico de Superfície de Alumínio

O efeito de superfície após o tratamento pode ser dividido em: a. Superfície brilhante b. Superfície semi-fosca c. Superfície fosca

O princípio do polimento é remover as partes salientes criando deformações plásticas na superfície do material por meio de retificação mecânica, obtendo assim uma superfície lisa e polida. Geralmente são utilizadas rodas de tecido, rodas de lã, lixa, etc.

O processo de polimento é geralmente dividido em três etapas: polimento bruto, polimento médio e polimento fino.

Polimento bruto: Polir a superfície com roda dura, que tem certo efeito abrasivo no substrato que foi ou não polido

Polimento médio: Usando uma roda de polimento mais dura para processamento adicional após o polimento áspero, pode remover os arranhões deixados pelo polimento áspero

Polimento fino: A última etapa do polimento, utilizando uma roda macia para obter uma superfície espelhada com luz brilhante, e tem pouco efeito na retificação do substrato.

10. Método de Desenho Mecânico

10.1 O desenho em linha reta refere-se ao método de processamento de linhas retas na superfície de uma placa de alumínio por fricção mecânica.

10.2 O desenho aleatório é um tipo de padrão de fio fosco obtido movendo a placa de alumínio para frente e para trás sob uma escova giratória de fio de cobre.

10.3 O polimento espiral, também conhecido como polimento giratório, é um padrão de fio obtido girando e polindo a superfície de uma placa de alumínio ou liga de alumínio com uma roda cilíndrica de feltro ou náilon de corindo montada em uma broca e misturada com graxa de polimento diluída com querosene.

10.4 O desenho roscado é feito em máquina.

11. Análise de problemas de materiais de polimento

11.1 Por que existem riscos mecânicos pesados na extrusão de baixa temperatura e alta velocidade?

Isto pode ser devido à raspagem da superfície do molde durante o enchimento e a fase inicial de extrusão laminar, resultando em fortes arranhões mecânicos durante a extrusão posterior.

11.2 Por que ainda existem defeitos como arranhões mecânicos na extrusão em alta temperatura e baixa velocidade?

Isto pode ser devido à alta temperatura da haste, que causa forte turbulência durante a extrusão, fazendo com que um grande número de óxidos e impurezas na superfície do lingote fluam em direção ao centro, tornando a superfície do perfil não boa.

12. Molde

12.1 Os moldes combinados são divididos em dois tipos de acordo com sua estrutura: moldes combinados tipo ponte e moldes combinados tipo corredor. Os moldes combinados do tipo ponte são comumente conhecidos como moldes em forma de língua, enquanto os moldes combinados do tipo corredor são simplesmente chamados de moldes combinados.

12.2 Os moldes em formato de língua requerem menor força de extrusão e são adequados para extrusão de perfis ocos de ligas que não se deformam facilmente e possuem pequenos furos internos.

12.3 Os moldes combinados são adequados para extrusão de perfis ocos de grande e médio porte, com formatos complexos e dimensões de cavidade interna maiores, feitos de ligas que são facilmente deformadas.

12.4 Os perfis ocos extrudados em moldes combinados apresentam soldas evidentes em sua macroestrutura, e o número de soldas é igual ao número de cordões metálicos em que o lingote é dividido.

12.5 Para obter soldas de alta qualidade, a pressão dentro do molde deve ser aumentada e um coeficiente de extrusão um pouco maior deve ser selecionado. É aconselhável utilizar uma temperatura de extrusão mais elevada e a velocidade de extrusão não deve ser muito rápida.

12.6 Ao inspecionar perfis ocos, sua qualidade superficial, dimensões geométricas, propriedades mecânicas e estrutura interna são iguais aos perfis comuns. Porém, para perfis ocos utilizados em peças importantes, a qualidade da solda deve ser inspecionada e o comprimento de corte não deve ser inferior a 500-1000 mm.

13. Fundição de Lingotes

13.1 As estruturas cristalinas típicas de lingotes de liga de alumínio incluem faixas cristalinas finas na superfície, faixas cristalinas colunares e faixas cristalinas equiaxiais no centro.

13.2 Em lingotes de liga de alumínio, existem três formatos comuns de grãos de solução sólida de alumínio:

a. Cristais equiaxiais em formato granular

b. Cristais colunares em formato alongado

c. Cristais emplumados em formato de folha fina.

13.3 Sob composição de liga constante e outras condições, a largura da região colunar do cristal aumenta com o aumento da temperatura de fundição. O tamanho dos grãos equiaxiais diminui à medida que a temperatura de fundição diminui. Quando a temperatura de fundição é constante, a região cristalina colunar diminui com o aumento do conteúdo do elemento de liga.

13.4 Tratamento de refino: É um processo de aumentar a dispersão da estrutura do metal ou liga e melhorar sua organização com uma pequena quantidade de aditivos especiais (agentes de refino). Também é chamado de tratamento de refinamento ou tratamento de incubação.

14. Requisitos técnicos de espessura de parede

14.1 Espessura da parede do óxido

a. Oxidação de areia ácida: ± 0,1 mm necessário

b. Oxidação branco-prata: ±0,1 mm necessário

c. Oxidação polida: ± 0,1 mm necessário

d. Oxidação com jato de areia: -0,08 a +0,1 mm necessário

e. Oxidação do padrão de torção: -0,08 a +0,1 mm necessário

f. Oxidação por ataque alcalino: -0,05 a 0,15 mm necessário

14.2 Espessura da parede eletroforética

a. Eletroforese plana: ± 0,1 mm necessário

b. Eletroforese com jato de areia: ± 0,1 mm necessário

c. Eletroforese colorida com ataque alcalino: -0,05 a +0,1 mm necessário

14.3 Espessura da parede do revestimento por pulverização

a. Revestimento geral por pulverização: -0,15 a +0,05 mm necessário

b. Revestimento em spray anti-rugas: -0,15 a +0,05 mm necessário

c. Revestimento em spray Woodgrain: -0,15 a +0,05 mm necessário

d. Revestimento em spray de fluorocarbono: -0,12 a +0,07 mm necessário

14.4 Exportar espessura da parede do substrato

a. A tolerância de espessura de parede especificada no desenho é executada.

b. Se a tolerância de espessura de parede não for especificada, a coluna 2 de tolerância de espessura de parede padrão nacional será executada.

c. Para perfis ocos completamente fechados, é executada a coluna 3 de tolerância de espessura de parede padrão nacional (exceto para tubos redondos da série SOMA).

Nota: A tolerância de espessura da parede marcada no desenho e no plano de produção é a tolerância do produto acabado. A tolerância da espessura da parede do substrato extrudado deve ser ajustada de acordo com os diferentes métodos de tratamento de superfície.

15. Pontos-chave para retificação metalográfica

Para alumínio, geralmente comece com uma lixa de grão 0 e depois passe para 400#, 600#, 800#, 1000#, 1200#. Durante o processo de retificação, um tipo de lixa é utilizado em uma direção.

Ao passar para a próxima lixa, a direção de lixamento deve ser perpendicular à anterior, o que é benéfico para observar se há riscos profundos da fase de lixamento anterior.

Para evitar que partículas duras ou grandes pedaços de metal se soltem durante o lixamento, uma fina camada de cera pode ser aplicada na lixa. Isso torna o desbaste macio e produz uma melhor superfície metalográfica. Ao lixar, sente-se corretamente e aplique força uniforme. A amostra deve ser quadrada e plana.

16. Polimento Eletrolítico

H2SO4, HNO3 e HF são misturados e um cátodo em forma de L feito de aço inoxidável ou placa de alumínio é usado. Uma tensão apropriada é selecionada de acordo com o tamanho da amostra. A tensão e o tempo de polimento devem ser rigorosamente controlados durante o polimento eletrolítico, geralmente em torno de dez segundos.

Após o polimento, enxágue com água limpa, depois com etanol e, a seguir, use ácido nítrico diluído para remover os produtos de corrosão da superfície, seguido de enxágue com água limpa e secagem ao ar.

17. Microscópio metalográfico eletrônico de alta ampliação

A ampliação pode chegar a 1000 vezes. O botão de foco aproximado está à esquerda e o botão de foco fino está à direita, na parte superior do dispositivo móvel horizontal e do botão liga / desliga. Há uma régua na ocular do lado direito para posicionar com precisão o tecido e a fase. O rastreador à direita pode ser usado diretamente para fotografia.

Ao processar fotos, geralmente os detritos devem ser removidos. A vibração da bancada ou do corpo durante a operação pode fazer com que as fases observadas e fotografadas pareçam desfocadas. Para análise de tecido, geralmente existem muitos dendritos em cada grão e diferentes quantidades de precipitação estão presentes nos limites dos grãos. Após a corrosão da amostra com ácido triforte misto, a matriz de alumínio aparece como branca, as fases precipitadas aparecem como preto-cinza e os limites dos grãos aparecem como linhas cinzas no campo de visão.

18. Fluxograma de Processo para Fundição

Inspeção de entrada → dosagem → pré-aquecimento do forno a frio → forno de carregamento → fusão → desnatação → amostragem e teste do forno de fusão → refino → amostragem e teste do forno de retenção → desnatação de refino → retenção → fundição → inspeção de lingotes redondos → corte em barra de tamanho → sequenciamento