31 de janeiro de 2017
Desenvolvida pelo Oak Ridge National Laboratory, dos EUA, nova liga combina resistência em altas temperaturas e boa fundibilidade

Por Marcio Ishikawa |

Uma nova liga de alumínio-cério, desenvolvida por um grupo liderado pelo Oak Ridge National Laboratory (ORNL), do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), pode ganhar espaço em aplicações na indústria de transportes, especialmente na fabricação de cabeçotes de motores de combustão interna para automóveis e também na aviação. Além disso, a novidade pode representar um grande impulso na produção de minérios de terras raras.

Liga de alumínio-cério

Os testes realizados trabalharam não apenas com a liga binária de alumínio e cério, mas também com a adição de magnésio, silício, níquel, zinco, zircônio, ferro e manganês. A combinação Al-8Ce-10Mg se mostrou a mais promissora e foi a mais testada e avaliada. A liga está na fase final do processo de registro na Aluminum Association e, por isso, ainda não recebeu o número de identificação.

Essa liga tem o potencial de melhorar a eficiência energética dos motores, uma vez que eles poderão operar em temperaturas mais elevadas. Além disso, a combinação de alumínio e cério também abre a possibilidade de se construir motores mais leves, já que é uma liga de baixa densidade. Por fim, ela também pode ajudar os engenheiros na fase de prototipação, já que as unidades de teste podem ser feitas em moldes de areia construídos com tecnologia 3D, economizando tempo.

Vantagens
Orlando Rios, um dos pesquisadores de Oak Ridge à frente do projeto, lista outras vantagens que a nova liga poderá oferecer sobre as atualmente existentes. “A nova liga de alumínio-cério oferece baixo custo, alta capacidade de moldagem, baixa demanda de tratamento térmico e excepcional estabilidade quando submetida a altas temperaturas”. O projeto, financiado pelo DOE, conta ainda com a participação do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e também da Eck Industries como parceiro comercial.

Em algumas das aplicações atuais que demandam maior resistência térmica, as ligas de alumínio eventualmente acabam sendo substituídas por titânio – que tem um custo mais elevado. Segundo os pesquisadores, cerca de 25% da produção desse metal, de aproximadamente 4000 toneladas por ano, é direcionado para aplicações que exigem alta performance sob temperaturas que variam de 150ºC a 315ºC. E, segundo Rios, essa faixa de operação é plenamente atendida pela nova liga de alumínio-cério, a um custo menor. Por isso, a expectativa é a de uma boa aceitação dessa liga na indústria aeroespacial e automobilística.

Composto intermetálico
A chave para a excepcional performance da liga de alumínio-cério em altas temperaturas é o composto intermetálico Al11Ce3. “Como a degradação deste composto intermetálico só começa acima de 1000ºC, ele é extremamente estável em altas temperaturas”, explica David Weiss, vice-presidente de engenharia, pesquisa e desenvolvimento da Eck Industries.

Ainda segundo o executivo, ligas com 8% a 10% de cério são as que mais propiciam a formação de microestruturas interconectadas. Abaixo desse percentual, as conexões não acontecem apropriadamente, deixando áreas vazias que comprometem as propriedades mecânicas da liga em altas temperaturas – o que não acontece acima de 7%.

Os protótipos dos cabeçotes de motores à combustão produzidos com a nova liga de alumínio-cério mostraram nos testes de bancada e de rodagem, estabilidade total a 300ºC, sem a necessidade de qualquer tipo de tratamento térmico. As propriedades mecânicas chegam a 252 MPa de limite de resistência à tração e 128 MPa de limite de escoamento.

Comparação com outras ligas
Abaixo, um quadro comparativo mostra as propriedades mecânicas das ligas de alumíno-cério, tanto em temperatura ambiente como em temperaturas elevadas, comparadas com ligas convencionais.

Liga de alumínio-cério - tabela de propriedades mecânicas

As propriedades das ligas alumínio-cério foram avaliadas a 260°C, enquanto os dados das ligas convencionais são referentes ao comportamento a 210°C, já que não há muitos testes realizados acima dessa temperatura. Apesar da temperatura mais elevada, a retenção das propriedades mecânicas da liga de alumínio-cério são superiores: por exemplo, a 260º C, a liga Al-8Ce-7Mg mantém 76% do limite de resistência à tração em relação à temperatura ambiente – nas ligas convencionais, a 210º C, esse valor não passa de 56%.

Fundibilidade
Outra característica apresentada pelas ligas alumínio-cério que deixou os pesquisadores bastante animados é a boa fluidez do metal líquido. “A maior parte das ligas com boa performance sob altas temperaturas apresentam dificuldades nos processos de fundição, mas as ligas de alumínio-cério avaliadas possuem características semelhantes às ligas de alumínio-silício da série 300”, explica Weiss. “E isso inclui capacidade de preenchimento do molde, resistência ao trincamento a quente e facilidade para alimentar a fundição.”

Liga de alumínio-cério

Além disso, a liga de alumínio-cério também se mostrou bastante tolerante à adição de magnésio, sem que sua fluidez fosse afetada – já em relação à densidade final da liga, o aumento da quantidade de cério contrabalanceou o magnésio e serviu para manter os padrões da liga binária inicial. Essa combinação Al-Ce-Mg apresentou os melhores resultados de fundibilidade e propriedades mecânicas em temperatura ambiente e sob altas temperaturas. Já o elemento que teve o efeito mais negativo em termos de fundibilidade foi o silício – o que, de certa forma, surpreendeu os pesquisadores, que ainda não conseguiram determinar por qual motivo isso acontece.

Ainda segundo Weiss, que recentemente realizou um webinar sobre o assunto (disponível aqui), além de manter suas propriedades mecânicas quando submetida à elevadas temperaturas, a liga Al-8Ce-10Mg apresenta densidade de 2,49 g/cm3 , valor inferior, por exemplo ao da liga A356 (Al-7Si-0,3Mg), cuja densidade é de 2,68 g/cm3. Segundo os cálculos do estudo, em um típico cabeçote de motor de automóvel com pouco mais de 9 quilos, isso representa uma redução de cerca de 600 gramas de massa de alumínio.

Fundição de protótipos
O principal teste da nova liga até agora foi a fundição de um cabeçote de um motor Honda GX200, monocilíndrico de quatro tempos que, entre várias aplicações, pode ser usado como motor de rabeta, em karts ou como motobomba. Ele foi instalado com sucesso em um carro de fibra de carbono impresso com tecnologia 3D, em um outro projeto do ORNL, e se mostrou totalmente funcional.

Liga de alumínio-cério

Avaliações em bancada mostraram operação estável do cabeçote, com temperaturas na saída de escape que atingiram até 600ºC. Todo o processo de fundição e usinagem foi feito com técnicas e equipamentos existentes atualmente – e a nova liga mostrou-se totalmente compatível. Ou seja, para a sua produção, não será necessário nenhum tipo de mudança de infra-estrutura nas fundições.

A liga alumínio-cério ainda permitiu que os moldes dos protótipos testados fossem feitos com impressão 3D, economizando tempo dos pesquisadores. “Normalmente os moldes 3D em areia são complicados de usar, mas a boa fluidez da nova liga fez com que os moldes fossem preenchidos completamente sem nenhum tipo de dificuldade”, explica Zachari Sims, outro pesquisador do ORNL envolvido diretamente no projeto.

Pesquisa e desenvolvimento
Weiss explica que foram cerca de 30 composições testadas. “Delas, algumas já estão prontas para chegar ao mercado e outras ainda demandam mais tempo de desenvolvimento”, afirma, explicando que, mesmo com as ligas que já estão em fase de registro na Aluminum Association, ainda há espaço para desenvolvimentos. “Continuamos trabalhando, principalmente, para melhorar as propriedades mecânicas em temperatura ambiente”.

Há vários outros estudos em curso atualmente no que diz respeito à liga de alumínio-cério:
– Refino de grãos
– Técnicas de modificação da liga
– Identificação e quantificação de fases desconhecidas
– Testes de fadiga em temperatura ambiente e em altas temperaturas
– Testes de corrosão

Produção de terras raras
Terras raras é o nome de um grupo de 17 elementos químicos bastante parecidos, que ocorrem juntos na natureza, e que diferem entre si basicamente pelo número de elétrons. São eles: lantânio, neodímio, cério, praseodímio, promécio, samário, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, escândio e lutércio. Alguns desses elementos ganharam importância comercial pois vem sendo utilizados em circuitos eletrônicos e em projetos de energias alternativas – o neodímio e o disprósio, por exemplo, são usados nos magnetos de modernas turbinas eólicas e também nos sistemas de automóveis híbridos. Por isso, as terras raras são consideradas um elemento fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias.

A exploração das terras raras é dominada pela China, que detém 35% das reservas conhecidas no mundo, mas que é responsável por cerca de 95% da produção mundial. No Brasil, a sua exploração é quase nula, apesar da existência de reservas consideráveis. Segundo estudos realizados pela Agência de Serviços Geológicos Norte-Americano, as reservas nacionais podem chegar a 3,5 bilhões de toneladas.

O cério é considerado, primordialmente, um subproduto da exploração de outros elementos mais valiosos das terras raras, do qual representa aproximadamente metade do volume. Até o momento, tem pouca aplicação comercial – um dos usos é em produtos para polir lentes, por exemplo. Boa parte de sua produção do cério, após a separação dos elementos das terras raras, tem valor comercial muito baixo e acaba sendo descartada.

No entanto, caso a nova liga de alumíno-cério encontre lugar nos motores de combustão interna, a nova demanda pode elevar a condição do cério de um subproduto inconveniente para um minério valioso. Por consequência, a atividade de exploração das terras raras também pode ser valorizada e impulsionada.

De acordo o ORNL, a comercialização da liga dependerá, em boa parte, de seu preço – e a incógnita da equação está exatamente no custo do cério. Caso o preço da liga seja superior a US$ 20/kg, a única indústria que teria interesse em sua aplicação é a aeroespacial. Já se o valor ficar entre US$ 10/kg e US$ 20/kg é provável que as atividades de comercialização também incluam aplicações militares. Já a indústria automobilística somente deve aderir ao uso da nova liga caso o valor fique abaixo de US$ 10/kg.

Nova liga de alumínio-cério tem potencial automobilístico

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