Como melhorar a condutividade térmica das ligas de alumínio?

A alta condutividade térmica intrínseca do alumínio é um dos seus atributos mais valiosos para aplicações de transferência de calor e gerenciamento térmico.

O alumínio puro exibe uma condutividade térmica de ~237 W/(m · k) a 25 ° C., mas as ligas comerciais normalmente variam de 80 para 200 C/(m · k) dependendo da composição e processamento.

Melhorar a condutividade térmica das ligas de alumínio requer uma abordagem direcionada baseada em quatro fatores principais de influência: Composição da liga, tratamento térmico, práticas de fusão, e processos de formação.

Este artigo analisa sistematicamente os mecanismos por trás de cada fator e propõe estratégias baseadas em evidências para otimizar o desempenho térmico, com foco na aplicabilidade industrial e viabilidade técnica.

1. Otimizando a composição da liga: Minimizando a degradação da condutividade térmica

Os elementos de liga são os principais determinantes da alumínio condutividade térmica das ligas, pois interrompem o transporte de elétrons e fônons - os dois principais mecanismos de transferência de calor em metais.

O impacto de cada elemento depende de sua solubilidade, ligação química, e formação de fases secundárias.

Para melhorar a condutividade térmica, a otimização da composição deve priorizar a redução de elementos nocivos e o equilíbrio das propriedades funcionais (Por exemplo, força, Resistência à corrosão) com eficiência de transferência de calor.

Mecanismos de influência dos elementos de liga

A condutividade térmica no alumínio é dominada pela mobilidade eletrônica: defeitos de rede, átomos de soluto, e fases secundárias espalham elétrons, aumentando a resistência térmica.

Principais observações de estudos metalúrgicos:

• Elementos altamente prejudiciais: Cromo (Cr), lítio (Li), e manganês (Mn) formar compostos intermetálicos estáveis (Por exemplo, Al₆Mn, AlCr₂) e causar distorção severa da rede.
  Até 0.5 % em peso de Cr reduz a condutividade térmica do alumínio puro em 40–50%, enquanto 1 % em peso de Li diminui em ~35% (Dados internacionais da ASM).
• Elementos moderadamente prejudiciais: Silício (E), magnésio (Mg), e cobre (Cu) são elementos de liga comuns que equilibram resistência e processabilidade.
  Seu impacto depende da concentração: 5 % em peso de Si reduz a condutividade térmica para ~160 W/(m · k), enquanto 2 % em peso de Cu reduz para ~200 W/(m · k) (comparado ao Al puro 237 C/(m · k)).
• Elementos de impacto insignificantes: Antimônio (Sb), cádmio (Cd), estanho (Sn), e bismuto (Bi) têm baixa solubilidade em alumínio (<0.1 wt.%) e não formam fases secundárias grosseiras.
  Somando a 0.3 % em peso desses elementos não tem efeito mensurável na condutividade térmica, tornando-os adequados para modificar outras propriedades (Por exemplo, MACHINABILIDADE) sem sacrificar a transferência de calor.

Estratégias de otimização de composição

• Minimize os elementos prejudiciais: Controlar estritamente Cr, Li, e conteúdo de Mn para <0.1 % em peso para ligas de alta condutividade térmica. Por exemplo, substituindo 1 wt.%
  Mn com 0.5 % em peso de Mg em uma liga da série 6xxx pode aumentar a condutividade térmica de 150 para 180 C/(m · k) mantendo uma força comparável.
• Otimize a Liga Funcional: Para a série 5xxx (Al-mg) ligas, limite o Mg a 2–3% em peso para alcançar um equilíbrio de condutividade térmica (~180–200 W/(m · k)) e resistência à corrosão.
  Para a série 6xxx (Al-MG-Si) ligas, use um Si:Proporção de mg de 1.5:1 (Por exemplo, 0.6 % em peso de Si + 0.4 % em peso de Mg) para formar precipitados finos de Mg₂Si, que têm impacto mínimo no transporte de elétrons.
• Utilize Trace Alloying: Adicione 0,1–0,2% em peso de Sb ou Sn para melhorar a fundibilidade e reduzir trincas a quente sem degradar a condutividade térmica.
  Isto é particularmente útil para ligas de alumínio de alta pureza (99.9%+ Al) usado em gerenciamento térmico.

Estudo de caso: Liga de alta condutividade da série 6xxx

Um modificado 6063 liga com Fe reduzido (0.1 wt.%) e Mn (0.05 wt.%) e Si otimizado (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) alcançou uma condutividade térmica de 210 C/(m · k)—20% maior que o padrão 6063 (175 C/(m · k))-mantendo ao mesmo tempo um limite de escoamento de 140 MPA (adequado para aplicações de extrusão como dissipadores de calor).

2. Adaptando Tratamento Térmico: Reduzindo a distorção da rede e otimizando a microestrutura

O tratamento térmico modifica a microestrutura da liga de alumínio (Por exemplo, estado de solução sólida, distribuição precipitada, integridade da rede), afetando diretamente o espalhamento de elétrons e a condutividade térmica.

Os três principais processos de tratamento térmico – recozimento, Tireização, e envelhecimento – exercem efeitos distintos no desempenho térmico.

Mecanismos de influência do tratamento térmico

• Tireização: Resfriamento rápido (100–1000 °C/s) da temperatura da solução (500–550 ° C.) forma uma solução sólida supersaturada, causando severa distorção da rede e aumento do espalhamento de elétrons.
  Isso reduz a condutividade térmica em 10–15% em comparação com o estado fundido.
  Por exemplo, 6061-T6 temperado tem uma condutividade térmica de ~167 W/(m · k), vs.. 180 C/(m · k) para a liga recozida.
• Recozimento: Aquecer a 300–450 °C e manter por 1–4 horas alivia a distorção da rede, promove a precipitação de átomos de soluto em finas fases secundárias, e reduz o espalhamento de elétrons.
  Recozimento completo (420 ° C para 2 horas) pode restaurar a condutividade térmica em 8–12% em ligas temperadas.
• Envelhecimento: Envelhecimento natural ou artificial (150–200 °C durante 4–8 horas) forma precipitados coerentes (Por exemplo, Mg₂Si em ligas 6xxx), que têm um impacto menor na condutividade térmica do que a distorção da rede.
  Envelhecimento artificial de 6061-T651 (envelhecimento pós-extinção) resulta em uma condutividade térmica de ~170 W/(m · k)—ligeiramente superior a T6 devido à redução da deformação da rede.

Estratégias de otimização de tratamento térmico

• Priorize o recozimento para alta condutividade: Para aplicações onde o desempenho térmico é crítico (Por exemplo, gabinetes eletrônicos), use recozimento completo para maximizar a condutividade térmica.
  Por exemplo, recozimento 5052-H32 (trabalhado a frio) no 350 ° C para 3 horas aumenta a condutividade térmica de 170 para 190 C/(m · k) aliviando defeitos de rede induzidos por trabalho a frio.
• Têmpera e Envelhecimento Controlados: Para ligas que exigem resistência e condutividade térmica (Por exemplo, Componentes automotivos), use um processo de envelhecimento em duas etapas: pré-envelhecimento em 100 ° C para 1 hora seguida de envelhecimento principal em 180 ° C para 4 horas.
  Isso forma bem, precipitados uniformemente distribuídos com distorção mínima da rede, equilibrando a força de rendimento (180–200 MPa) e condutividade térmica (160–175 C/(m · k)) em ligas da série 6xxx.
• Evite a extinção excessiva: Use taxas de resfriamento moderadas (50–100 °C/s) para componentes de seção espessa para reduzir a distorção da rede e garantir retenção suficiente de soluto para envelhecimento.
  Esta abordagem mantém a condutividade térmica dentro 5% do estado recozido enquanto atinge a resistência alvo.

Exemplo: Melhoria da condutividade térmica em 7075 Liga

O padrão 7075-T6 tem uma condutividade térmica de ~130 W/(m · k) devido ao alto Cu (2.1–2,9% em peso) e Zn (5.1–6,1% em peso) contente.

Um tratamento térmico modificado (recozimento em solução em 475 ° C para 1 hora, resfriamento de ar, e envelhecimento artificial em 120 ° C para 8 horas) aumento da condutividade térmica para 145 C/(m · k) reduzindo a distorção da rede e formando precipitados mais finos de Al₂CuMg.

3. Otimizando Práticas de Fusão: Redução de Gases, Inclusões, e defeitos

Condições de fusão – incluindo métodos de refino, Controle de temperatura, e remoção de impurezas – afeta diretamente a limpeza da liga de alumínio (conteúdo de gás, inclusões não metálicas) e integridade microestrutural.

Gases (Por exemplo, H₂) e inclusões (Por exemplo, Al₂o₃, MgO) atuam como barreiras térmicas, reduzindo a eficiência da transferência de calor espalhando fônons e interrompendo o fluxo de elétrons.

Mecanismos de influência de fusão

• Conteúdo de gás: Hidrogênio dissolvido (H₂) forma porosidade durante a solidificação, criando vazios que reduzem a condutividade térmica.
  Um teor de hidrogênio de 0.2 mL/100g Al pode diminuir a condutividade térmica em 5–8% (Dados da American Foundry Society).
• Inclusões não metálicas: Óxidos (Al₂o₃), carbonetos, e silicatos atuam como defeitos pontuais, espalhando elétrons e fônons.
  Inclusões maiores que 5 μm são particularmente prejudiciais - reduzindo a condutividade térmica em 10–15% em ligas com >0.5 vol.% conteúdo de inclusão.
• Temperatura de fusão: Temperaturas excessivamente altas (>780 ° c) aumentar a formação de óxido e a solubilidade do hidrogênio, enquanto as temperaturas <680 °C causa fusão e segregação incompletas.
  Ambos os cenários degradam a condutividade térmica.

Estratégias de otimização de fusão

• Temperatura de fusão controlada: Mantenha uma temperatura de fusão de 700–750 °C para minimizar a absorção de gás e a formação de óxido.
  Esta gama equilibra a fluidez (crítico para fundição) e limpeza para a maioria das ligas de alumínio forjado e fundido.
• Refino Eficaz: Use uma combinação de NaCl-KCl (1:1 razão) como agente de cobertura (2–3% em peso do fundido) para evitar oxidação e hexacloroetano (C₂Cl₆) como agente refinador (0.1–0,2% em peso) para remover hidrogênio e inclusões não metálicas.
  Isto reduz o teor de hidrogênio para <0.1 mL/100g Al e conteúdo de inclusão para <0.2 % em volume.
• Aditivos de desparafinação e desgaseificação: Incorporar 0,1–0,3% em peso de fluoreto de cálcio (CaF₂), carvão ativado, ou cloreto de sódio (NaCl) para reduzir a porosidade e inclusões de óxido.
  Esses aditivos promovem a flotação de inclusões e liberam gases aprisionados, melhorando a condutividade térmica em 8–10%.
• Derretimento a vácuo para alta pureza: Para aplicações de ultra-alta condutividade (Por exemplo, gerenciamento térmico aeroespacial), usar fusão a vácuo (10⁻³–10⁻⁴ Pa) reduzir o teor de hidrogénio para <0.05 mL/100g Al e eliminar contaminantes atmosféricos.
  Derretido a vácuo 1050 o alumínio atinge uma condutividade térmica de 230 C/(m · k)—97% do valor teórico do alumínio puro.

Validação Industrial

Uma fundição que produz 356 liga de alumínio para cabeçotes automotivos implementadas práticas de fusão otimizadas (720 Temperatura °C, Agente de cobertura NaCl-KCl, e refino de C₂Cl₆).

A liga resultante tinha um teor de hidrogênio de 0.08 mL/100g Al e conteúdo de inclusão de 0.15 % em volume, levando a um aumento da condutividade térmica de 150 para 168 C/(m · k)—12% maior que o processo anterior.

4. Aprimorando Processos de Conformação: Refinando a microestrutura e reduzindo defeitos

Processos de formação (Por exemplo, extrusão, rolando, forjamento) modificar a microestrutura da liga de alumínio, reduzindo defeitos de fundição (Por exemplo, porosidade, segregação, grãos grossos) e melhorando a uniformidade.

Forjamento e extrusão, em particular, são eficazes no aumento da condutividade térmica, refinando o tamanho do grão e eliminando heterogeneidades microestruturais.

Mecanismos de formação de influência

• Extrusão: Alta deformação plástica (taxa de extrusão 10:1 para 50:1) quebra inclusões agrupadas, compacta porosidade, e promove a recristalização de grãos fundidos grossos em finos, grãos uniformes (10–50 μm).
  Isso reduz o espalhamento de elétrons e melhora o transporte de fônons, aumentando a condutividade térmica em 10–15% em comparação com o estado fundido.
• Laminação/Forjamento: Semelhante à extrusão, esses processos reduzem a segregação e refinam os grãos.
  Por exemplo, rolamento frio 1100 alumínio (99.0% Al) com um 70% taxa de redução refina o tamanho do grão de 100 μm (como fundido) para 20 μm, aumentando a condutividade térmica de 220 para 230 C/(m · k).
• Redução de defeitos: Os processos de conformação eliminam defeitos de fundição (Por exemplo, porosidade de encolhimento, segregação dendrítica) que funcionam como barreiras térmicas.
  A porosidade compactada e as inclusões quebradas reduzem a resistência térmica, permitindo uma transferência de calor mais eficiente.

Formando estratégias de otimização de processos

• Extrusão de alta deformação: Use uma taxa de extrusão ≥20:1 para ligas de alumínio fundido para obter recristalização completa e estrutura de grão uniforme.
  Por exemplo, extrudando 6063 liga com um 30:1 proporção aumentou a condutividade térmica de 175 (como fundido) para 205 C/(m · k) reduzindo o tamanho do grão de 80 para 15 μm.
• Temperatura de extrusão controlada: Extrusão a 400–450 °C para equilibrar a recristalização e o crescimento dos grãos.
  Temperaturas mais altas (>480 ° c) causar espessamento do grão, enquanto temperaturas mais baixas (<380 ° c) aumentar a resistência à deformação e pode reter defeitos de rede.
• Recozimento Pós-Formação: Combine extrusão/laminação com recozimento de baixa temperatura (300–350 °C para 1 hora) para aliviar o estresse residual e refinar ainda mais os grãos.
  Esta etapa pode aumentar a condutividade térmica em 5–8% adicionais em ligas altamente deformadas.

Estudo de caso: Extrudado 5052 Liga para trocadores de calor

Como elenco 5052 liga tinha uma condutividade térmica de 175 C/(m · k) com 2% porosidade e grãos grossos (70 μm).

Após extrusão (razão 25:1, 420 ° c) e recozimento (320 ° C para 1 hora), a liga exibida 0.5% porosidade, grãos finos (25 μm), e uma condutividade térmica de 198 C/(m · k)—13% maior que o estado como lançado.

5. Engenharia de superfície: a alavanca prática mais eficaz para dissipadores de calor

Para dissipadores de calor e hardware térmico externo, emissividade de superfície muitas vezes controla a dissipação total de calor em conjunto com a convecção.

Dois fatos práticos para usar:

• Infravermelho distante (ABETO) / revestimentos de alta emissividade: essas tintas especializadas ou revestimentos à base de cerâmica são formulados para emitir eficientemente na banda infravermelha térmica (normalmente 3–20 µm).
  Eles aumentam a emissividade da superfície para ≈0,9 e, assim, aumentam drasticamente a perda de calor radiativo em temperaturas de superfície moderadas a altas.
• Óxido preto / Anodize preto / acabamentos de conversão preto: um acabamento durável tipo óxido preto (ou anodização preta em alumínio) aumenta a emissividade da superfície muito acima do metal brilhante.
  Na prática, acabamentos “pretos” dissipam mais calor por radiação do que acabamentos naturais (reflexivo) superfícies de alumínio.

Esclarecimento importante: acabamentos pretos e revestimentos FIR não aumente a condutividade térmica em massa, mas eles aumentar a dissipação de calor efetiva de uma peça, melhorando a radiação (e às vezes acoplamento convectivo através da textura da superfície).
Dizer “o óxido preto conduz o calor melhor que a cor natural” é correto apenas no sentido de dissipação líquida de calor da superfície - não que o k do material aumente.

6. Roteiro prático & intervenções priorizadas

Use uma abordagem faseada que vise primeiro os maiores ganhos:

1. Escolha de liga: escolha o menos ligado, liga de maior condutividade que atende às necessidades de resistência/corrosão.
2. Prática de derreter: implementar desgaseificação, cobertura de fluxo, filtração e controle rigoroso de temperatura para minimizar poros e inclusões.
3. Seleção de rota de transmissão: prefira processos que produzam baixa porosidade (molde permanente, Squeeze fundição, elenco de investimento com vácuo) para componentes críticos ao calor.
4. Densificação pós-fundição: use HIP para aplicações críticas.
5. Processamento térmico: recozer ou projetar tratamentos de envelhecimento para precipitar o soluto da solução quando possível.
6. Formação: aplicar extrusão/forjamento/laminação para fechar a porosidade residual e homogeneizar a microestrutura.
7. Práticas de superfície e junção: evite zonas de solda e manchas de calor nos caminhos de calor primários; se for necessária soldagem, planejar tratamentos localizados para restaurar a condutividade sempre que possível.

7. Recomendação final

Melhorar a condutividade térmica da liga de alumínio é uma tarefa multidisciplinar que combina o design da liga, metalurgia fundida, tratamento térmico e formação.

Comece com Seleção de material- só então otimize controles de processo (desgaseificação, filtração, Método de fundição), seguido pela tratamento térmico e processamento mecânico para fechar defeitos e ajustar a microestrutura.

Onde a condutividade é de missão crítica, quantificar metas, exigem testes elétricos/térmicos, e aceitar as compensações necessárias entre resistência mecânica, custo e fabricação.

Perguntas frequentes

O óxido preto aumenta a condutividade térmica do alumínio??

Não – aumenta a emissividade da superfície e, portanto, a dissipação de calor radiativo. O volume k da liga permanece inalterado por um acabamento superficial fino.

Revestir é sempre melhor que polir?

O polimento reduz o arrasto convectivo e diminui a emissividade (pior para a radiação). Para desempenho geral do dissipador de calor, um revestimento preto de alto ε geralmente supera o metal polido, exceto onde a radiação é insignificante e a convecção domina.

Quando o revestimento FIR é mais eficaz?

Onde as temperaturas da superfície são moderadas a altas, onde a convecção é limitada (baixo fluxo de ar), em ambientes de vácuo ou baixa pressão, ou para reduzir a temperatura de estado estacionário do componente mesmo sob fluxo de ar.

Referências

1. ASM International. (2020). Volume do Manual ASM 2: Propriedades e Seleção: Ligas não ferrosas e materiais para fins especiais. ASM International.
2. Sociedade Americana de Fundição. (2018). Manual de fundição de alumínio. Imprensa AFS.
3. Zhang, E., e outros. (2021). Efeitos dos elementos de liga e do tratamento térmico na condutividade térmica das ligas de alumínio da série 6xxx. Jornal de tecnologia de processamento de materiais, 294, 117189.
4. Li, J., e outros. (2022). Influência dos parâmetros de fusão e extrusão na condutividade térmica de 5052 liga de alumínio. Ciência e Engenharia de Materiais A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Alumínio e ligas de alumínio: Características, Propriedades, e aplicações. ASM International.
6. Wang Hui. Progresso do desenvolvimento e pesquisa de ligas de alumínio de alta condutividade térmica [J]. Fundição, 2019, 68(10):1104