7075, 6061, forjado, usinado, CNC, tratamento térmico… o alumínio é uma fonte de mistérios que devemos desvendar…

Alumínio

A principal caraterística do alumínio é sua leveza. Se a isto somarmos suas propriedades mecânicas moderadamente boas, o alumínio se converte no melhor metal para aplicações estruturais nas que o peso do elemento é crítico. Para citar como exemplo, entre 75 e 80% de um avião comercial é feito de alumínio. Além disso, quem não gosta ter uma bicicleta leve?

O alumínio é um metal abundante, o mais abundante na crosta terrestre. A produção deste material a partir do minério consome uma grande quantidade de energia, mas sua produção procedente da reciclagem é baratíssima, e não se degrada no processo por mais que se repita. Por outro lado, não tem uma dureza muito elevada, o que faz com que seja fácil processá-lo industrialmente, transformá-lo em tubos, cortá-lo, esticá-lo, dobrá-lo ou usiná-lo. Além disso a temperatura necessária para sua fusão é baixa e, portanto, os tratamentos térmicos que requer e sua transformação a quente consomem pouca energia, por isso o alumínio pode ser considerado um material com propriedades realmente invejáveis para qualquer tipo de processo industrial.

E tem outra vantagem fundamental: o alumínio não se corrói. É formado um óxido em sua superfície que protege o resto do metal da oxidação, e isto não é prejudicial para as propriedades do metal na maioria das aplicações.

TRATE-ME COM DELICADEZA

Depois de analisar as fantásticas propriedades deste material, poderíamos nos perguntar por que o alumínio não havia triunfado até estas últimas décadas na indústria da bicicleta. No início, o uso do alumínio na fabricação de quadros para bicicletas não foi muito empolgante, principalmente porque não se desenhou tendo em conta suas peculiaridades:

Soldabilidade: para se conseguir uma soldagem de qualidade, é necessário um processo muito cuidadoso e controlado. Mas nem todas as ligas podem ser soldadas. Na verdade, as ligas tradicionalmente soldáveis de alumínio não são as mais resistentes. Os veteranos devem lembrar daqueles quadros de alumínio colado.

Ductilidade: é a capacidade do material de suportar deformações sem se romper. Esta propriedade é o “colchão de emergência” na hora de levar à realidade os cálculos realizados no papel. A resistência à fadiga do alumínio, apesar de ser boa, tem dois inconvenientes básicos. O primeiro é que não existe um limite de fadiga para “vida infinita”. Isto quer dizer que se aplicamos, em uma peça de alumínio, um esforço durante um número suficiente de vezes (pode chegar a centenas de milhões), a peça acaba falhando sempre, por menor que seja o esforço. O outro inconveniente é a incomodidade. Sua boa resposta à fadiga piora muito quando se vê obrigado a suportar deformações que seriam normais para o aço ou titânio, motivo pelo qual o engenheiro se vê obrigado a limitar ao máximo as deformações e a desenhar uma estrutura mais rígida do que se fosse feita com outro material, para conseguir fabricar algo verdadeiramente duradouro.

TUDO TEM SOLUÇÃO

Vejamos como foram sendo resolvidos os problemas desde os primeiros e pouco empolgantes quadros de alumínio:

Soldagem TIG
É um dos processos de soldagem que proporcionam melhor qualidade ao produto acabado, mas é um dos mais difíceis e exigentes de executar. Os soldadores qualificados para soldar alumínio com este processo são trabalhadores muito especializados, e poderão soldar de 12 a 14 quadros por turno. Este processo não é novo, mas apresentou tradicionalmente muitas dificuldades com sua automatização, sobretudo na hora de soldar curvas de difícil definição como são as linhas que unem os tubos de um quadro. Isto é um avanço muito recente e provavelmente seja a chave da popularização e redução de preço deste tipo de quadros.

Desenho Oversize
Inventado no início dos anos 80 (a Cannondale foi pioneira), traz à fabricação de quadros de bicicleta o menor módulo de elasticidade e a menor tolerância a deformações do alumínio. Este aspeto é crítico quando desejamos um quadro resistente à fadiga.

Conificado
Criou-se para reforçar os extremos dos tubos que suportam a soldagem, nos quais se produzia um enfraquecimento importante. Isto possibilitou um efeito associado muito importante: o conificado reforça as áreas nas quais os esforços são maiores, os extremos. As primeiras séries de alumínio conificado se fabricaram em meados dos anos 90, vencendo definitivamente a batalha do peso, que até esse momento tinha com os quadros de aço de qualidade.

Hidroformagem
Este processo foi talvez o que, juntamente com a automatização da soldagem, mais influenciou para que os quadros de alumínio tenham se sobressaído sobre os de outros materiais, já que permitiu dotar os quadros de formas muito variadas no mesmo tubo. Saiba mais sobre este processo em nosso artigo sobre hidroformagem.

Gancheiras de câmbio desmontáveis
Os veteranos devem lembrar das estilizadas gancheiras de câmbio das bicicletas de aço, nas que com uma quantidade escassa de material se conseguia a resistência adequada para que realizasse sua função. Com o alumínio havia um problema: sua resistência total é mais baixa, e a quantidade de material que se podia pôr nesse ponto não proporcionava uma boa solução. A engenhosidade veio à tona: foram inventadas as gancheiras substituíveis e assunto resolvido.

ME DEIXO LEVAR

Fabricar uma estrutura tubular de alumínio é mais simples que fazê-la de aço ou titânio, porque a facilidade para cortar, usinar ou dobrar é muito maior com alumínio, consumindo, portanto, menos energia e menos tempo nas operações necessárias para deixar os tubos prontos para soldar. O primeiro motivo disso são as menores propriedades mecânicas, sobretudo no âmbito de resistência e dureza. A resistência tem influência principalmente nos processos de dobragem para formar presilhas e alças. A menor dureza ajuda na hora de usinar e rosquear, sendo mais fácil e rápido. O segundo motivo é seu menor ponto de fusão, que permite duas importantes vantagens: a primeira é que se consome menos energia ao cortá-lo com laser, que é mais barato e mais preciso; a segunda é que a energia necessária para sua moldagem a quente, e seus tratamentos térmicos, é muito mais baixa porque as temperaturas dos fornos são bastante menores.

CUIDADINHO COMIGO

Em condições normais as zonas mais frágeis de um quadro são as soldas e as zonas próximas, por isso não adianta de nada ser obcecado com a resistência do material empregado se depois o processo de soldagem e posterior tratamento térmico não se faz adequadamente. Soldar alumínio é algo bastante delicado, que apresenta as seguintes dificuldades:

-Nem todas as ligas de alumínio são soldáveis. Na verdade as soldáveis são uma minoria. Mas além de ser soldável, é preciso que seja tratável termicamente, para aliviar tensões ao final do processo completo de soldagem.

-O enfraquecimento associado à soldagem do alumínio é grande.
Isto ocorre é porque a condutividade térmica do alumínio é muito alta e a zona afetada pelo calor da soldagem, que é a que se enfraquece, se amplia. Além disso, mesmo que a temperatura de fusão do alumínio seja mais baixa, a espessura dos tubos é maior, com isso a quantidade de energia necessária será similar à requerida para um quadro de aço ou titânio, mas com uma zona afetada mais ampla.

-O grande risco das soldagens de alumínio são as inclusões porosas, que são bolhas de gás que ficam presas dentro da poça de soldagem quando o metal solidifica. Dissemos que o alumínio tem uma condutividade térmica alta, se esfria rápido e é pouco denso, por isso as bolhas não escapam tão rapidamente como em outros metais mas pesados. É terrivelmente fácil que fiquem presas.

-Esfriamento homogêneo, também dissemos que esfria muito rápido. Um dos grandes riscos na hora de soldar é que as zonas próximas esfriem de maneira diferente, uma muito lentamente e outra muito rapidamente, pois isto produz tensões internas que enfraquecem o material. Isto pode ocorrer quando se soldam duas zonas com diferentes espessuras, quando um reforço não está bem pensado, quando há esquinas que podem esfriar mais rápido ou quando um quadro está submetido a uma corrente de ar. Muitos devem saber que um quadro de aço pode ser consertado qualquer lugar, mas um de alumínio é outra história, aqui vimos algumas razões.

O TRATAMENTO TÉRMICO

Acabamos de dizer que o material com o qual é fabricado o quadro tem que ser tratável termicamente, para aliviar tensões e restaurar as propriedades da liga nas zonas afetadas pelo calor da soldagem. Estas tensões se criam no quadro basicamente por dois processos:

-O ciclo térmico da soldagem. Soldar um material implica introduzir, na zona afetada pelo calor, um monte de modificações metalúrgicas no material de base, que introduzem tensões residuais devidas ao ciclo de aquecimento-resfriamento. Dissemos que a zona que se submete a este processo é muito ampla. Este ciclo também faz que nas proximidades da soldagem varie a composição da liga do metal de base, porque a solubilidade do metal fundido é muito maior que a de outros estados, e isto proporciona uma divisão “desigual” dos elementos ligantes, motivo pelo qual é preciso tentar restabelecer essa homogeneidade na medida do possível.

-Nível de tensão. Um quadro de bicicleta ou suas partes móveis, se é de suspensão, são inteiramente soldados. Isto implica que uma parte -um tubo, uma gancheira- não pode se mover sem deslocar o resto, tem o que se denomina movimento impedido, por isso o nível de tensões depois da soldagem aumenta. Esta perda de propriedades, ao contrário da outra, é a que uma soldagem induz tanto em si mesma como nas demais se o deslocamento dos elementos que une está restrito de algum modo, como é em um quadro. Além disso, em um quadro os requisitos de alinhamento são muito severos, porque influenciam drasticamente em sua qualidade, e em que seja “dirigível” ou não. O alinhamento se faz depois da soldagem e incrementa as tensões porque altera o estado “natural” da estrutura ao final da soldagem, que logicamente não é alinhado.

Os tratamentos térmicos aos que se costuma submeter os quadros são: Solubilização e Endurecimento por precipitação.

Solubilização: é um tratamento térmico que consiste em aquecer o material a cerca de 530 ºC, o tempo suficiente para assegurar-se de que a totalidade da peça se encontra a essa temperatura e esfriar com rapidez na água a não mais que uns 30-35 ºC. Este tratamento é requerido, por exemplo, pelos quadros soldados da série 6061. Estas ligas apresentam a peculiaridade de que se recomenda realizar o alinhamento do quadro depois da solubilização, já que proporciona à liga uma resistência moderada e uma boa ductilidade, propriedades que melhoram esta operação. Não se realiza tratamento de solubilização nas ligas da série 7000.

Endurecimento por precipitação: é um tratamento térmico que também se chama envelhecimento. Realiza-se como operação final, anterior à pintura do quadro, quando já foram soldados todos os componentes e realizado o alinhamento. É o último passo de fabricação do quadro propriamente dito, varia em função das caraterísticas próprias da liga e o tipo de estado final de temperatura requerido. Os famosos T-4 e T-6, um exemplo típico de um endurecimento por precipitação, podem durar umas 8 horas a 175º C.

A FÓRMULA MÁGICA: CONIFICADO+HIDROFORMADO

Como comentamos, o conificado se realiza por duas razões: porque o material se enfraquece nas extremidades como consequência do processo de soldagem, e porque os tubos recebem mais esforços nas extremidades que no centro. Para diminuir os efeitos da soldagem não há muita margem de manobra além de uma execução cuidadosa; mas para que o quadro aguente os maiores esforços nos extremos, aumentar a espessura não é uma boa solução, seria muito melhor poder ampliar o raio do tubo na direção de onde viessem os esforços de maneira que os suportassem melhor. Parece lógico pensar que um tubo de maior raio suporta mais esforços que um de menor. Por isso é uma grande vantagem conseguir que os tubos tenham formas mais variadas.

O conificado dos tubos se realiza com um esticamento controlado do tubo. Dependendo de se o conificado for realizado em uma ou em duas fases, se obtém um tubo duplo ou triplo conificado, ou seja, com duas ou três espessuras diferentes em sua seção transversal. As zonas com espessuras diferentes serão mais ou menos amplas de acordo com a forma na qual se estique, e a mudança de espessura será mais ou menos brusca.

Para mudar a forma dos tubos há principalmente dois procedimentos: pressionar exteriormente com uma matriz o molde que tenha a forma desejada, ou expandir interiormente selando os extremos e exercendo uma pressão hidrostática a partir do interior do tubo que se adaptará à forma que tenha a matriz exterior (hidroformagem). A combinação destes métodos de fabricação permite a adoção de quase qualquer forma para o desenho do tubo. Se estas formas são aproveitadas adequadamente, permitem adaptar ao máximo as qualidades estruturais de cada um dos tubos às necessidades de resistência em cada zona do quadro, conseguindo baixar, ano após ano, o peso final do quadro.