Fio de liga de alumínio: 5056, classes de alta resistência e guia de seleção

Fio de liga de alumínio oferece uma combinação de propriedades que o fio de alumínio puro e o fio de cobre não conseguem igualar por si só: resistência à tração significativa, baixa densidade, bom desempenho elétrico ou mecânico dependendo da série da liga e resistência à corrosão sem tratamento de superfície. A compensação em comparação com o alumínio puro é um aumento modesto no custo e, em algumas séries, uma ligeira redução na condutividade – compensações que são prontamente justificadas em aplicações onde a fadiga do fio, a capacidade de carga ou o peso são as principais restrições do projeto.

Três séries de ligas cobrem a esmagadora maioria dos fios de liga de alumínio comerciais: a série 5xxx (Al-Mg), a série 6xxx (Al-Mg-Si) e a série 8xxx (Al-Fe). Cada um visa um equilíbrio diferente de propriedades mecânicas e elétricas, e é por isso que especificar a liga correta – e não apenas o “fio de alumínio” – é essencial na fase de projeto.

Visão geral da série Alloy e como elas diferem

Compreender a classificação da série é a maneira mais rápida de definir qual fio de liga de alumínio é apropriado para um determinado caso de uso.

Série 5xxx (Al-Mg): Alta resistência, não tratável termicamente

A série 5xxx atinge sua resistência por meio do endurecimento por solução sólida e do endurecimento por trabalho, em vez do tratamento térmico por precipitação. O conteúdo de magnésio normalmente varia de 0,5% a 5,5%. Maior teor de magnésio se correlaciona diretamente com maior resistência à tração e resistência ao escoamento, mas reduz a ductilidade e a facilidade de conformação a frio. fio de liga de alumínio 5056 , com aproximadamente 4,5–5,6% de Mg, fica próximo ao topo da série em termos de resistência e é abordado em detalhes na seção seguinte. Outros membros, como 5154 e 5356, são amplamente utilizados como fio de soldagem MIG porque sua composição se aproxima da dos produtos forjados da série 5xxx, minimizando a perda de resistência da junta de solda.

Série 6xxx (Al-Mg-Si): tratável termicamente, bom equilíbrio de condutividade

O fio de liga de alumínio 6201 é o produto dominante nesta série para aplicações elétricas. Após trefilação e tratamento de têmpera T81, o 6201 atinge uma resistência à tração mínima de 295 MPa com condutividade elétrica de aproximadamente 52,5% IACS – suficiente para condutores de transmissão aéreos onde a carga mecânica e o controle de curvatura são críticos. Ele é usado em cabos AAAC (All-Aluminium Alloy Conductor) precisamente porque supera o alumínio puro 1350 em resistência, mantendo ao mesmo tempo uma condutividade aceitável para linhas aéreas de longo alcance.

Série 8xxx (Al-Fe): Classe Elétrica com Baixa Sag

As ligas 8030 e 8176 incorporam ferro e, às vezes, silício para melhorar a resistência à fluência e a resistência à tração em comparação com o alumínio puro 1350, enquanto mantêm a condutividade acima de 61% IACS. Essas ligas são a escolha padrão para a construção de fios e condutores de distribuição de serviços públicos, onde o fio deve estar em conformidade com os padrões NEC ou IEC e oferecer maior estabilidade a longo prazo sob ciclos térmicos.

Fio de liga de alumínio 5056 : Propriedades e Aplicativos

fio de liga de alumínio 5056 é uma das ligas de alumínio não tratáveis termicamente de maior resistência em forma de fio. Sua composição nominal de acordo com os padrões AA e ASTM inclui 4,5–5,6% de magnésio, 0,05–0,20% de cromo e 0,05–0,20% de manganês, com ferro, silício, cobre e zinco mantidos em máximos restritos para preservar a resistência à corrosão e a ductilidade.

A combinação de alta resistência à tração e baixa densidade dá ao 5056 uma resistência específica (relação resistência-peso) que compete com alguns fios de aço macio com aproximadamente um terço do peso. Sua condutividade elétrica de aproximadamente 29% IACS é muito baixa para transmissão de energia, portanto, o 5056 não é usado como fio condutor – seu valor reside inteiramente em aplicações mecânicas.

Usos primários do fio de liga de alumínio 5056

• Dentes de zíper e componentes de corrente — 5056 é a liga dominante para fabricação de zíperes de alumínio em todo o mundo. Sua resistência resiste a ciclos mecânicos repetidos sem deformar os dentes, e sua resposta de anodização produz camadas de óxido consistentes e receptivas a corantes em todo o espectro de cores. A YKK e outros grandes fabricantes de zíperes contam com ele como matéria-prima primária.
• Blindagem trançada e tecida - a têmpera extra-dura H19 do fio 5056 é usada como trança sobre capas de cabos em cabos militares, aeroespaciais e marítimos, onde a blindagem EMI deve sobreviver à flexão e à vibração sem fratura por fadiga.
• Fio de fixação e rebite - a haste e o fio trefilados 5056 são transformados em rebites cegos para aeronaves e montagens estruturais. A combinação de resistência, resistência à corrosão e compatibilidade galvânica com chapa de alumínio torna-a preferível aos rebites de aço em estruturas com revestimento de alumínio.
• Triagem de insetos e malha de filtragem — o fio 5056 trefilado fino tecido em malha proporciona melhor resistência à corrosão em ambientes úmidos e costeiros em comparação com as ligas 3003 ou 1100, a um custo aceitável.
• Trança de armadura para mangueiras e conduítes flexíveis — O fio 5xxx com alto teor de magnésio é usado onde é necessária uma camada de proteção externa leve, porém robusta, sobre conjuntos de mangueiras flexíveis hidráulicas ou pneumáticas.

Fio de liga de alumínio de alta resistência : Definindo a categoria

Fio de liga de alumínio de alta resistência não se refere a uma única liga, mas a um nível de desempenho – produtos de arame projetados para exceder a resistência à tração alcançável com alumínio puro (normalmente 80–100 MPa) por uma margem substancial, geralmente visando 250 MPa ou mais, dependendo da têmpera e da aplicação. Várias famílias distintas de ligas alcançam este nível:

• Fio endurecido 5xxx-H1x (5056, 5154, 5183) — atinge 300–435 MPa através de trefilação a frio sem tratamento térmico. Nenhum endurecimento por envelhecimento é possível, portanto a resistência é definida na fase de trefilação e é estável ao longo do tempo.
• Fio tratado termicamente 6201-T81 — resistência na faixa de 295–330 MPa com condutividade acima de 52% IACS, o padrão para condutores aéreos AAAC.
• Fio da série 7xxx (7075, 7150) — resistência à tração de até 570 MPa na forma de fio trefilado, obtida através do endurecimento por precipitação de zinco-magnésio-cobre. Usado em fios de fixação aeroespaciais e aplicações estruturais de alto desempenho onde a economia de peso em relação ao aço é crítica e o custo é secundário.

A distinção entre essas famílias é importante porque a mesma resistência nominal à tração alcançada por diferentes mecanismos tem diferentes características de estabilidade . O fio endurecido pode amolecer se exposto a temperaturas acima de ~150°C. O fio 7xxx endurecido por precipitação mantém sua resistência até a temperatura de envelhecimento, mas é suscetível à corrosão sob tensão em ambientes de tração sustentada, a menos que a têmpera de envelhecimento excessivo T73 seja especificada. Nenhuma das preocupações se aplica ao 6201 em sua aplicação primária como condutor aéreo.

Processo de trefilação e como ele afeta as propriedades finais

O fio de liga de alumínio é produzido trefilando o estoque da haste através de uma série de matrizes de carboneto de tungstênio ou diamante policristalino progressivamente menores, reduzindo o diâmetro em incrementos controlados. O grau de trabalho a frio aplicado – expresso como a redução na área da seção transversal desde a haste inicial até o diâmetro final do fio – determina diretamente as propriedades mecânicas do fio acabado.

Para ligas não tratáveis ​​termicamente como 5056, cada passagem de trefilação aumenta a resistência à tração e a dureza, ao mesmo tempo que reduz o alongamento. Um fio trefilado para a têmpera H18 (totalmente endurecido) terá sofrido redução suficiente para atingir a resistência máxima para aquela liga, ao custo da ductilidade. As têmperas intermediárias (H12, H14, H16) representam endurecimento parcial e oferecem melhorias úteis de resistência, ao mesmo tempo em que mantêm alongamento suficiente para operações de conformação posteriores, como tecelagem, trançado ou cabeçote de rebites.

Os principais controles de processo que determinam a qualidade final do fio incluem:

• Ângulo da matriz e taxa de redução por passe — a redução excessiva por passe aumenta a tensão interna e o risco de defeitos de ruptura central em ligas com alto teor de magnésio.
• Lubrificação — sabão seco, emulsão úmida ou lubrificantes à base de óleo são selecionados com base na liga, material da matriz e velocidade de trefilação para controlar o desgaste da matriz e o acabamento superficial.
• Recozimento intermediário — para sequências de arame muito fino ou de trefilação profunda, o recozimento controlado entre passes restaura a ductilidade e evita fraturas, e então a trefilação é retomada até a têmpera desejada.
• Qualidade de superfície — costuras, dobras ou inclusões na alimentação da haste se propagam em rachaduras no arame acabado. A qualidade da matéria-prima da barra, especialmente a condição do óxido superficial e a classificação de inclusão, é um determinante primário do rendimento do fio na produção de bitola fina.

Resistência à corrosão: o que o fio de liga de alumínio pode ou não tolerar

O fio de liga de alumínio forma uma camada de óxido passiva autocurativa quando exposto ao ar, proporcionando boa resistência geral à corrosão atmosférica sem tratamento de superfície. Contudo, a composição da liga afeta significativamente o desempenho em ambientes específicos:

• 5056 e outras ligas 5xxx com alto teor de magnésio — excelente resistência à água do mar e às atmosferas marinhas; amplamente especificado para hardware marítimo e blindagem de cabos em embarcações. No entanto, ligas com teor de magnésio acima de ~3,5% são suscetíveis à sensibilização (corrosão intergranular) se mantidas na faixa de temperatura de 65 a 175°C por longos períodos. Isso limita seu uso em ambientes sustentados de temperatura elevada.
• Fio da série 6xxx — boa resistência à corrosão geral e marítima com menor risco de sensibilização. O revestimento de conversão de cromato ou anodização melhora ainda mais o desempenho para aplicações estruturais aeroespaciais e externas.
• Fio da série 7xxx — o teor de zinco que proporciona alta resistência também aumenta a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão. O fio 7075-T6 sob tensão sustentada em ambientes úmidos pode falhar sob tensões bem abaixo da resistência à tração nominal; A têmpera T73 é a escolha correta para aplicações estruturais onde a corrosão sob tensão é um risco .

A compatibilidade galvânica também é crítica quando o fio de liga de alumínio entra em contato com metais diferentes. O contato direto com cobre, latão ou aço na presença de umidade acelera a corrosão do alumínio. Conectores de luva, crimpagens e terminações em conjuntos de metais mistos devem incorporar acessórios de transição bimetálicos ou luvas de isolamento.

Selecionando o fio de liga de alumínio correto: uma estrutura de decisão

A liga e a têmpera apropriadas para qualquer aplicação de fio de liga de alumínio podem ser restringidas respondendo a um pequeno conjunto de perguntas em sequência:

1. A condutividade elétrica é necessária? Se sim, as opções viáveis ​​são 6201-T81, 8030 ou 8176. Caso contrário, toda a gama de ligas mecânicas está disponível.
2. Qual resistência à tração é necessária? Abaixo de 250 MPa: 5154 ou 5356 na têmpera H1x são econômicos. 250–400 MPa: 5056-H18 ou 6061-T81. Acima de 400 MPa: série 7xxx, aceitando compensações de custo e corrosão sob tensão.
3. O fio será soldado ou usado como consumível de soldagem? Se sim, o fio de enchimento 5356 ou 5183 é a escolha padrão; 5056 também é usado onde é necessária maior resistência de solda para materiais de base 5xxx.
4. O fio será anodizado ou com acabamento decorativo? 5056 responde bem e produz superfícies anodizadas brilhantes e uniformes. As ligas 6xxx também anodizam bem. As ligas 7xxx são anodizadas, mas com consistência reduzida devido ao maior teor de liga.
5. A aplicação está sujeita a tensões de tração sustentadas em um ambiente corrosivo? Evite 5xxx com alto teor de Mg não sensibilizado em temperaturas elevadas; evite 7xxx-T6; especifique 7xxx-T73 ou mude para ligas 6xxx.
6. É necessário um diâmetro fino (<0,5 mm)? As ligas 5056 e 6xxx são rotineiramente trefiladas em espessuras finas para aplicações em telas e trançados. As ligas 7xxx estão menos comumente disponíveis em diâmetros muito finos devido à menor ductilidade.

Trabalhar com esses critérios antes de abordar os fornecedores reduz o risco de receber fios que atendem a uma especificação nominal, mas falham no serviço devido a uma incompatibilidade entre a temperatura, o ambiente e as condições de carga.