Atualmente, o alumínio é o material mais utilizado para dissipadores de calor eletrônicos. Suas características são muito adequadas para a fabricação de dissipadores de calor devido à sua boa condutividade térmica, baixo custo e alta resistência à corrosão atmosférica.
A seguir são apresentadas as propriedades do alumínio puro e das ligas de alumínio usadas na indústria de dissipadores de calor, proporcionando uma compreensão mais profunda do alumínio e das ligas de alumínio.
1. Alumínio Puro
Densidade:
O alumínio é um metal muito leve, com densidade de 2,72 g/cm³, cerca de um terço da densidade do cobre puro.
Condutividade Elétrica e Térmica:
O alumínio possui excelente condutividade elétrica e térmica. Quando a área da seção transversal e o comprimento do alumínio são iguais aos do cobre, a condutividade elétrica do alumínio é de cerca de 61% da do cobre.
Se o peso do alumínio for igual ao do cobre, mas a área da seção transversal for diferente (com comprimento igual), a condutividade elétrica do alumínio é 200% da do cobre.
Propriedades quimicas:
Possui boa resistência à corrosão atmosférica devido à formação de uma densa película de óxido de alumínio em sua superfície, o que evita maior oxidação do metal interno. O alumínio não reage com ácido nítrico concentrado, ácidos orgânicos ou alimentos.
Estrutura:
O alumínio tem uma estrutura cúbica de face centrada. O alumínio puro industrial possui plasticidade extremamente alta (ψ = 80%) e pode suportar facilmente vários processos de conformação.
No entanto, sua resistência é muito baixa (σb é cerca de 69 MPa), então o alumínio puro só pode ser usado como material estrutural após ser reforçado por deformação a frio ou liga.
Outras propriedades:
O alumínio é um material não magnético, sem faíscas e possui boas propriedades reflexivas. Pode refletir luz visível e luz ultravioleta.
As impurezas do alumínio incluem silício e ferro. Quanto maior o teor de impurezas, menor será a condutividade elétrica, a resistência à corrosão e a plasticidade.
2. Ligas de alumínio
Ao adicionar elementos de liga apropriados ao alumínio e depois trabalhá-lo a frio ou tratá-lo termicamente, certas propriedades podem ser bastante melhoradas.
Os elementos de liga mais comumente usados em alumínio são cobre, magnésio, silício, manganês e zinco.
Às vezes, esses elementos são adicionados sozinhos ou em combinação, e às vezes também são adicionados vestígios de titânio, boro, cromo e outros elementos.
De acordo com a composição e características do processo de produção das ligas de alumínio, elas podem ser divididas em duas categorias: ligas de alumínio fundido e ligas de alumínio forjado.
Ligas de alumínio forjado: Este tipo de liga de alumínio é geralmente processado por meio de pressão a quente ou a frio, como laminação, extrusão, etc., para produzir chapas, tubos, vergalhões e perfis diversos. Este tipo de liga requer plasticidade relativamente alta, portanto o teor de liga é relativamente baixo.
Ligas de alumínio fundido são despejadas diretamente em moldes de areia para fazer peças com formatos complexos. Este tipo de liga requer boa fundibilidade, ou seja, boa fluidez. Quando o teor de liga é baixo, é adequado para fazer ligas de alumínio forjado, e quando o teor de liga é alto, é adequado para fazer ligas de alumínio fundido.
O módulo de elasticidade das ligas de alumínio é pequeno, apenas cerca de 1/3 do aço, ou seja, sob a mesma carga e seção transversal, a deformação elástica das ligas de alumínio é três vezes maior que a do aço. Embora sua resistência não seja alta, eles apresentam bom desempenho sísmico.
A faixa de dureza das ligas de alumínio (incluindo estados de recozimento e endurecimento por envelhecimento) é de 20-120 HB. A liga de alumínio mais dura é mais macia que o aço.
A resistência à tração máxima das ligas de alumínio varia de 90 MPa (alumínio puro) a 600 MPa (alumínio superduro), que é significativamente inferior à do aço.
O ponto de fusão das ligas de alumínio é mais baixo (geralmente em torno de 600°C, enquanto o do aço é em torno de 1450°C).
As ligas de alumínio têm excelente plasticidade tanto em temperatura ambiente quanto em alta temperatura e podem ser usadas para produzir peças estruturais com formatos transversais extremamente complexos, paredes finas e alta precisão dimensional usando métodos de extrusão.
Além de propriedades mecânicas adequadas, as ligas de alumínio também apresentam excelente resistência à corrosão, condutividade térmica e elétrica e refletividade.
3. Glossário:
σb: A resistência à tração (limite de resistência) é a tensão máxima equivalente à carga máxima que a amostra pode suportar dividida pela área da seção transversal original antes da ruptura.
ψ: A redução da área é o valor de retração relativa da área da seção transversal da amostra após a fratura, igual à retração absoluta da área da seção transversal dividida pela área original da amostra.
Plasticidade: A capacidade de um metal sofrer deformação plástica (ou seja, deformação residual) antes de quebrar.
4. Sistema de nomenclatura internacional para alumínio e ligas de alumínio:
1. Alumínio puro (teor de alumínio não inferior a 99,00%): 1XXX
2. Os grupos de ligas são divididos de acordo com os seguintes elementos principais de liga:
- Cu (cobre): 2XXX
- Mn (manganês): 3XXX
- Si (silício): 4XXX
- Mg (magnésio): 5XXX
- Mg+Si (magnésio + silício): 6XXX
- Zn (zinco): 7XXX
- Outros elementos: 8XXX
- Reservado: 9XXX
O grupo 1XXX representa o alumínio puro (com teor de alumínio não inferior a 99,00%), e os dois últimos dígitos representam a porcentagem mínima de alumínio, com as casas decimais após os dois dígitos.
O segundo dígito na designação da liga indica o status de controle dos limites de impurezas ou elementos de liga. Se o segundo dígito for 0, significa que não há controle especial para o limite de impurezas. Se for 1-9, significa que existe um controle especial para uma ou mais impurezas individuais ou limites de elementos de liga.
Os dois últimos dígitos nas designações 2XXX-8XXX não têm nenhum significado especial e são usados apenas para distinguir diferentes ligas dentro do mesmo grupo. O segundo dígito representa o status do temperamento. Se o segundo dígito for 0, significa a liga original. Se for 1-9, significa a liga modificada.
Tabela de conteúdo padrão de composição de alumínio 6063-T5:
Nota: O conteúdo é mostrado em porcentagem (%).
| Componente | Si | Fé | Cu | Mn | mg | Zn | Cr | Ti |
| Conteúdo padrão | 0,2~0,6 | ≤0,35 | ≤0,1 | ≤0,1 | 0,45~0,9 | ≤0,1 | ≤0,1 | ≤0,1 |
5. O significado dos códigos para ligas de alumínio na China:
- L: Alumínio
- LF: Liga de alumínio antiferrugem (Al-Mg, Al-Mn)
- LY: Liga de alumínio duro (Al-Cu-Mg)
- LC: Liga de alumínio superdura (Al-Cu-Mg-Zn)
- LD: Liga de alumínio forjado (Al-Mg-Si e Cu-Mg-Si)
- LT: Liga especial de alumínio
6. Aplicações práticas:
Atualmente, as seguintes ligas de alumínio são utilizadas principalmente na indústria de radiadores:
1.Al6063/Al6061: A excelente plasticidade o torna adequado ao processo de extrusão para fabricação de radiadores de perfil. Pode produzir quase qualquer formato de radiador, com tecnologia madura, preço baixo e alta usinabilidade.
2. Alumínio fundido: Usado principalmente para grandes radiadores de formato irregular e radiadores integrados para gabinetes de equipamentos.
3. Série LF/LY: Usado principalmente em radiadores de dispositivos eletrônicos sob condições especiais de operação. O ambiente operacional possui certos requisitos de dureza e resistência à corrosão. LY12 é atualmente amplamente utilizado.
7. Processo de tratamento térmico para ligas de alumínio:
Princípios de tratamento térmico para ligas de alumínio
O tratamento térmico para peças fundidas de liga de alumínio envolve a seleção de uma especificação específica de tratamento térmico, controlando a taxa de aquecimento para atingir uma determinada temperatura, mantendo-a por um determinado período de tempo e, em seguida, resfriando-a a uma determinada taxa para alterar a estrutura da liga.
Seu principal objetivo é melhorar as propriedades mecânicas da liga, aumentar sua resistência à corrosão, melhorar seu desempenho de processamento e alcançar estabilidade dimensional.
7.1.1 Características do tratamento térmico de ligas de alumínio
Como todos sabemos, o aço de alto carbono obtém imediatamente alta dureza após a têmpera, mas sua plasticidade é muito baixa.
No entanto, este não é o caso das ligas de alumínio. Após a têmpera, a resistência e a dureza das ligas de alumínio não aumentam imediatamente e a sua plasticidade aumenta em vez de diminuir.
No entanto, a resistência e a dureza da liga temperada aumentarão significativamente, enquanto a plasticidade diminuirá após ser deixada por um período (como 4-6 dias).
Este fenômeno em que a resistência e a dureza das ligas de alumínio temperadas aumentam significativamente com o tempo é chamado de envelhecimento.
O envelhecimento pode ocorrer à temperatura ambiente, o que é chamado de envelhecimento natural, ou pode ocorrer dentro de uma determinada faixa de temperatura acima da temperatura ambiente (como 100-200 ℃), que é chamado de envelhecimento artificial.
7.1.2 Princípios de endurecimento por envelhecimento para ligas de alumínio
O endurecimento por envelhecimento de ligas de alumínio é um processo complexo, que não depende apenas da composição da liga e do processo de envelhecimento, mas também de quaisquer defeitos causados pela retração durante a produção, especialmente o número e distribuição de lacunas e deslocamentos. Acredita-se geralmente que o endurecimento por envelhecimento é o resultado da agregação de átomos de soluto para formar uma zona de endurecimento.
Quando as ligas de alumínio são temperadas e aquecidas, formam-se vazios na liga. Durante a têmpera, esses vazios não têm tempo suficiente para sair devido ao resfriamento rápido, então ficam “fixos” no cristal.
A maioria dessas vagas na solução sólida supersaturada combina-se com átomos de soluto. Como a solução sólida supersaturada está num estado instável, ela inevitavelmente mudará em direção ao equilíbrio.
A existência de vazios acelera a taxa de difusão dos átomos de soluto, acelerando assim a agregação dos átomos de soluto.
O tamanho e o número de zonas de endurecimento dependem da temperatura de têmpera e da taxa de resfriamento da têmpera.
Quanto maior a temperatura de têmpera, maior a concentração de vazios, mais zonas de endurecimento e menor o seu tamanho.
Quanto mais rápida a taxa de resfriamento da têmpera, mais vazios fixos na solução sólida, o que é benéfico para aumentar o número de zonas de endurecimento e reduzir seu tamanho.
Uma característica fundamental dos sistemas de liga endurecida por precipitação é a solubilidade de equilíbrio que muda com a temperatura, ou seja, a solubilidade aumenta à medida que a temperatura aumenta.
A maioria das ligas de alumínio que podem ser tratadas termicamente para reforço atendem a essa condição.
A relação solubilidade-temperatura necessária para o endurecimento por precipitação pode ser explicada pela liga Al-4Cu do sistema alumínio-cobre.
A Figura 3-1 mostra o diagrama de fase binário da parte rica em alumínio do sistema alumínio-cobre. A transformação eutética L→α+θ (Al2Cu) ocorre a 548℃.
A solubilidade máxima do cobre na fase α é de 5,65% (548°C), e a solubilidade diminui drasticamente com a diminuição da temperatura, para cerca de 0,05% à temperatura ambiente.
Durante o processo de tratamento térmico de envelhecimento, a liga sofre diversas alterações em sua estrutura, dentre elas as seguintes:
7.1.2.1 Formação de zonas de agregação de átomos de soluto – zonas G•(Ⅰ)
Na solução sólida supersaturada recentemente extinta, a distribuição dos átomos de cobre na rede de alumínio é aleatória e desordenada.
No estágio inicial do envelhecimento, isto é, quando a temperatura de envelhecimento é baixa ou o tempo de envelhecimento é curto, os átomos de cobre se agregam em certas faces cristalinas da matriz de alumínio para formar zonas de agregação de átomos de soluto chamadas zonas G•(Ⅰ).
As zonas G•(Ⅰ) mantêm uma relação coerente com a matriz α, e estes agregados constituem regiões de deformação coerentes que melhoram a resistência à deformação, aumentando assim a resistência e a dureza da liga.
7.1.2.2 Disposição ordenada das zonas G• – formação de zonas G•(Ⅱ)
À medida que a temperatura de envelhecimento aumenta ou o tempo de envelhecimento se estende, os átomos de cobre continuam a agregar-se e a tornar-se ordenados, formando zonas G•P(Ⅱ).
Estas zonas ainda mantêm uma relação coerente com a matriz α, mas são maiores que as zonas G•P(Ⅰ).
Elas podem ser consideradas fases de transição intermediárias e são frequentemente representadas por θ”.
Eles têm maior distorção do que as zonas G•P(Ⅰ) circundantes, o que impede ainda mais o movimento dos deslocamentos, tornando o efeito de fortalecimento do envelhecimento mais forte.
A precipitação da fase θ” é a fase em que a liga atinge o seu máximo fortalecimento.
7.1.2.3 Formação da fase de transição θ′
Com o desenvolvimento do processo de envelhecimento, os átomos de cobre continuam a agregar-se nas zonas G•P(Ⅱ), formando a fase de transição θ′ quando a proporção de átomos de cobre para átomos de alumínio se torna 1:2.
À medida que a constante de rede de θ′ muda muito, sua relação coerente com a matriz começa a se desintegrar quando ela se forma, ou seja, muda de coerência completa para coerência parcial com a matriz.
Portanto, a distorção coerente em torno da fase θ′ enfraquece e o efeito dificultador do movimento das discordâncias também diminui, resultando em uma diminuição na dureza da liga.
Pode-se observar que a existência de distorção coerente é um fator importante que causa o envelhecimento do fortalecimento nas ligas.
7.1.2.4 Formação da fase θ estável
A fase de transição precipita completamente da solução sólida à base de alumínio, formando uma fase estável independente Al2Cu com uma interface clara com a matriz, chamada de fase θ.
Neste momento, a relação coerente entre a fase θ e a matriz é completamente quebrada, e ela tem sua própria rede independente, e sua distorção desaparece.
Com o aumento da temperatura de envelhecimento ou a extensão do tempo de envelhecimento, as partículas da fase θ agregam-se e crescem mais, e a resistência e a dureza da liga diminuem ainda mais. A liga amolece e fica “envelhecida”. A fase θ agrega-se e fica mais espessa.
Os princípios de envelhecimento e as regras gerais das ligas binárias alumínio-cobre também se aplicam a outras ligas industriais de alumínio.
No entanto, os tipos de ligas, as zonas G•P formadas, as fases de transição e as fases estáveis finalmente precipitadas são todas diferentes, levando a diferentes efeitos de fortalecimento ao envelhecimento.
Mesmo para a mesma liga, o processo de envelhecimento pode não seguir inteiramente cada estágio sequencialmente, por exemplo, algumas ligas param nas zonas G•P(Ⅰ) a G•P(Ⅱ) durante o envelhecimento natural.
Durante o envelhecimento artificial, se a temperatura de envelhecimento for muito alta, a liga pode precipitar diretamente a fase de transição da solução sólida supersaturada sem passar pela zona G•P. O grau de envelhecimento afeta diretamente a estrutura e as propriedades da liga após o envelhecimento.
7.1.3 Fatores que afetam o envelhecimento
7.1.3.1 A influência do tempo entre a têmpera e o envelhecimento artificial
Estudos descobriram que algumas ligas de alumínio, como as ligas de Al-Mg-Si, não conseguem atingir sua resistência máxima após o envelhecimento artificial se permanecerem à temperatura ambiente antes do envelhecimento artificial. Em vez disso, a sua ductilidade aumenta.
Por exemplo, para a liga de alumínio fundido ZL101, se ela for deixada em temperatura ambiente por um dia após a têmpera e depois envelhecida artificialmente, a resistência final será 10-20 Mpa menor do que quando envelhecida imediatamente após a têmpera, mas sua ductilidade aumentará em comparação para este último.
7.1.3.2 A influência da composição química da liga
Se uma liga pode ser reforçada pelo envelhecimento depende primeiro se os elementos que compõem a liga podem se dissolver na solução sólida e até que ponto a solubilidade do sólido muda com a temperatura.
Por exemplo, a solubilidade sólida do silício e do manganês no alumínio é relativamente pequena e não varia muito com a temperatura, enquanto o magnésio e o zinco têm uma solubilidade sólida relativamente grande na solução sólida à base de alumínio, mas as estruturas dos compostos que eles forma com alumínio não são muito diferentes da matriz, resultando em efeitos de reforço mínimos.
Portanto, as ligas binárias alumínio-silício, alumínio-manganês, alumínio-magnésio e alumínio-zinco geralmente não são submetidas ao tratamento de fortalecimento por envelhecimento.
Algumas ligas binárias, como ligas de alumínio-cobre e ligas ternárias ou multicomponentes, como ligas de alumínio-magnésio-silício e ligas de alumínio-cobre-magnésio-silício, têm solubilidade e transições de fase de estado sólido durante o tratamento térmico e podem ser reforçadas através de tratamento térmico.
7.1.3.3 A influência da tecnologia de processamento de solução sólida de liga
Para obter bons efeitos de fortalecimento do envelhecimento, sob condições de evitar superaquecimento, queima e crescimento de grãos, temperaturas de aquecimento de têmpera mais altas e tempos de retenção mais longos são favoráveis para a obtenção de uma solução sólida uniformemente supersaturada com supersaturação máxima.
Além disso, quando extinto, o resfriamento não deverá resultar na precipitação da segunda fase; caso contrário, durante os tratamentos de envelhecimento subsequentes, a fase já precipitada atuará como núcleo, causando precipitação local não uniforme e reduzindo o efeito de fortalecimento do envelhecimento.
8. Alumínio Puro
O alumínio puro é usado principalmente em ambientes que exigem alta condutividade térmica, mas no geral não é amplamente utilizado. A liga de alumínio AL6061 possui vários estados: O, T4, T6, T451, T651, T6510, T6511.
As aplicações típicas incluem componentes estruturais industriais que requerem um certo nível de resistência, alta soldabilidade e resistência à corrosão. Esses componentes são utilizados na fabricação de caminhões, torres, navios, bondes, veículos ferroviários, móveis, barras, tubos e perfis com boas propriedades de anodização.
A liga de alumínio AL6063 possui vários estados: O, T4, T83, T1, T5, T6. É normalmente usado como material extrudado para perfis de construção, tubos de irrigação, estruturas de veículos, móveis, elevadores, cercas e componentes decorativos de diferentes cores para aeronaves, navios, indústria leve e edifícios.
Em termos de materiais extrudados, o 6063 é sem dúvida a melhor escolha. Possui melhores propriedades de polimento e anodização do que 6061 após extrusão.
6061 é um material com propriedades semelhantes ao 6063, mas pertence a um material componente estrutural. Suas características incluem boa soldabilidade, resistência à corrosão e resistência estrutural, mas ainda existem pequenas diferenças entre 6061 e 6063. Seu desempenho de extrusão é inferior ao de 6063.
