Alumínio fundido, forjado e em chapa: quais são as diferenças?

As ligas de alumínio combinam alta resistência específica, excelente resistência à corrosão e boa facilidade de processamento. Elas são o segundo material mais utilizado na indústria automotiva, depois do aço. À medida que aumentam as exigências de redução de peso dos veículos, o uso do alumínio continua a crescer. Os componentes automotivos utilizam cada vez mais ligas de alumínio fundidas, ligas de alumínio forjadas e chapas de alumínio.

As ligas de alumínio fundido são comumente utilizadas para suportes e carcaças, incluindo carcaças de transmissão, blocos de motor e cabeçotes de cilindro, além de suportes de junta de direção. Os processos de produção incluem fundição sob vácuo, fundição com injeção de oxigênio e fundição por compressão.

Ligas de alumínio fundido

Na fundição sob alta pressão de vácuo, a cavidade metálica é evacuada antes do preenchimento, o que, teoricamente, impede que o gás se misture com o metal fundido. As peças fundidas resultantes apresentam baixo teor de gás, alta densidade e propriedades mecânicas significativamente melhoradas. Para viabilizar o tratamento térmico e a soldagem subsequentes, a pressão efetiva de vácuo na cavidade do molde deve ser inferior a 5 kPa. A figura a seguir compara peças fundidas por fundição sob alto vácuo e por fundição convencional a vácuo.

A fundição sob jato de oxigênio também reduz a porosidade. A cavidade é primeiro preenchida com oxigênio. À medida que o alumínio fundido entra, ele reage com o oxigênio, formando partículas de alumina distribuídas uniformemente. Essas partículas têm tamanho inferior a 1 μm e representam apenas 0,1% a 0,2% do peso total, portanto, quase não afetam o processamento subsequente. O diagrama a seguir ilustra o princípio.

Na fundição por compressão, o metal fundido é vertido diretamente em uma matriz aberta. A matriz é então fechada e é aplicada pressão estática, produzindo conformação reológica, solidificação sob alta pressão e uma pequena deformação plástica para criar um componente metálico de alta qualidade. O processo divide-se principalmente em fundição por compressão direta e indireta. Na fundição por compressão direta, a pressão atua diretamente sobre o metal fundido, produzindo um efeito pronunciado de solidificação sob alta pressão; ela é geralmente adequada para peças fundidas de formato simples. Na fundição por compressão indireta, a pressão do punção é transmitida através da manga de injeção e do biscoito até a peça fundida. A pressão aplicada é limitada e o processo é relativamente lento, tornando-o adequado para a produção em grande volume de peças complexas. A figura a seguir compara os dois processos.

Ligas de alumínio forjadas

As ligas de alumínio forjadas são geralmente utilizadas em peças que exigem bom desempenho mecânico, incluindo componentes críticos do chassi, como braços de suspensão e juntas de direção. Os métodos atuais de forjamento incluem o forjamento com matriz a quente, o forjamento com matriz semissólida, o forjamento isotérmico e o forjamento com pó.

A forjagem por matriz líquida é frequentemente utilizada na produção de rodas de peça única. Os produtos acabados apresentam boas propriedades mecânicas e qualidade de superfície, mas os equipamentos caros e a complexidade do processo mantêm os custos de fabricação elevados.

A forjagem em matriz de material semissólido assemelha-se à forjagem em matriz de material líquido. Um lingote é aquecido até atingir um estado semissólido, injetado rapidamente na matriz e submetido a pressão estática, de modo que o fluxo do material líquido e a deformação plástica moldem a peça. Em comparação com a forja por matriz em estado líquido, esse processo utiliza uma temperatura de conformação mais baixa e produz menor encolhimento volumétrico. A ocorrência de cavidades de encolhimento e colapso é menos provável, a vida útil da matriz é prolongada, o arrastamento de gás é reduzido e a qualidade da peça acabada é substancialmente melhorada.

Na forja isotérmica, um tarugo aquecido é colocado em uma matriz com temperatura controlada e forjado lentamente a temperatura constante. A temperatura constante e a baixa velocidade de forjamento permitem uma recristalização dinâmica mais completa, uma microestrutura mais uniforme e maior ductilidade. Um processo avançado recentemente estudado para a liga de alumínio 6082 combina forjamento semissólido e isotérmico: o lingote é pré-forjado à temperatura de tratamento de solução, pré-envelhecido e, finalmente, forjado isotérmicamente a 200 °C. O processo produziu peças aceitáveis com maior dureza e resistência, por meio do aprimoramento do fortalecimento por precipitação e por deslocamento.

Chapa de alumínio

Após 2012, regulamentações mais rigorosas de proteção aos pedestres na Europa e na América do Norte impulsionaram o uso generalizado de chapas de alumínio nos painéis externos de veículos automotores. Em 2020, o alumínio representava 75% das aplicações em capôs na América do Norte, enquanto sua participação em portas, porta-malas e tetos ultrapassava 25%. Alguns modelos da Audi, Jaguar, Ford e Tesla utilizam estruturas de carroceria predominantemente de alumínio. Além da estampagem e do estiramento convencionais, a conformação a quente de chapas de alumínio avançou significativamente e é hoje uma importante tecnologia de conformação de alto desempenho.

A conformação a quente foi desenvolvida para resolver os problemas de baixa ductilidade e dificuldade de deformação das ligas de alumínio de alta resistência. A estampagem a quente é o principal método. Um estudo recente combinou uma rede neural de retropropagação com um algoritmo genético multiobjetivo para otimizar variáveis-chave, como a temperatura da chapa, a velocidade de estampagem e a folga do molde. Os componentes resultantes apresentaram resistência à tração de 300 a 320 MPa, em consonância com a resistência máxima da liga de alumínio 6061-T6. Os parâmetros otimizados produziram peças com desempenho satisfatório, boas propriedades mecânicas e alta precisão de conformação.

A conformação a frio de chapas de alumínio é utilizada principalmente na fabricação de painéis de carroceria automotiva. A geometria complexa, a baixa espessura relativa e os elevados requisitos de qualidade da superfície tornam alguns painéis propensos a enrugamento, rachaduras e retorno elástico. Durante a estampagem a frio, os pesquisadores estudaram como os parâmetros do processo afetam o afinamento e a recuperação elástica; em seguida, compensaram a superfície da matriz e ajustaram os parâmetros. Essas medidas suprimiram efetivamente a recuperação elástica, o enrugamento e o rachamento.