Alumínio 4004: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

O Alloy 4004 é um membro da série 4xxx de ligas de alumínio, que são composições trabalhadas contendo silício na família Al-Si. A série 4xxx é caracterizada pelo silício como principal elemento de liga, geralmente combinado com níveis vestigiais de ferro, cobre, manganês e outras impurezas para ajustar a fundibilidade e as propriedades térmicas.

O mecanismo nominal de endurecimento para o 4004 é principalmente o endurecimento por solução sólida proveniente do silício e a dispersão de fases intermetálicas ricas em Si; ele é amplamente não tratado termicamente, dependendo do endurecimento por deformação (operações em têmpera H) e resfriamento controlado para ajustar as propriedades. As características chave do 4004 incluem resistência moderada a boa para uma liga não tratável termicamente, melhor desgaste e estabilidade térmica em comparação com graus muito puros, boa resistência à corrosão em várias atmosferas, e geralmente soldabilidade e conformabilidade favoráveis.

Indústrias que comumente utilizam ligas da série 4xxx como o 4004 incluem automotiva (componentes de carroceria e arames de enchimento), eletrodomésticos, trocadores de calor e eletrônica (onde condutividade térmica e fundibilidade são importantes), e transporte onde é necessário equilíbrio entre conformabilidade e desempenho térmico elevado. Engenheiros escolhem o 4004 quando necessitam de melhor estabilidade dimensional em altas temperaturas ou propriedades térmicas superiores ao alumínio comercialmente puro, mas sem o custo ou complexidade de processamento das ligas tratáveis termicamente de alta resistência.

O 4004 é frequentemente escolhido em detrimento de graus com menor teor de liga porque oferece um compromisso prático: o teor elevado de silício melhora a estabilidade em temperatura elevada e reduz a dilatação térmica enquanto mantém bom comportamento à conformação a frio e soldabilidade. É preferido quando os requisitos de projeto incluem resistência moderada combinada com condutividade térmica, redução da fragilização por aquecimento durante soldagem ou brasagem, e desempenho consistente em operações de conformação e união.

Variantes de Têmpera

Têmpera	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto	Excelente	Excelente	Estado totalmente recozido para ductilidade máxima
H12	Baixo-Médio	Médio	Muito Bom	Muito Bom	Leve encruamento, recuperação limitada na conformação
H14	Médio	Médio-Baixo	Bom	Muito Bom	Têmpera de trabalho a frio comum para aplicações em chapa
H18	Alto	Baixo	Ruim	Bom	Totalmente endurecido, usado quando propriedades de mola são necessárias
T4*	Baixo-Médio	Médio	Muito Bom	Muito Bom	Condição parcialmente solubilizada; aplicabilidade depende da química exata
T5*	Médio	Médio-Baixo	Bom	Bom	Envelhecido artificialmente a partir do resfriado da fundição; potencial limitado de endurecimento
T6*	Médio	Médio-Baixo	Moderado	Moderado	Algumas ligas 4xxx mostram resposta limitada à precipitação; benefícios modestos

Após a tabela, a seleção da têmpera para o 4004 gira principalmente em torno do estado de encruamento versus recozimento, com O proporcionando ductilidade máxima e a série H incrementando de forma incremental os níveis de limite de escoamento e resistência à tração. Quando é especificado um tratamento térmico menor (tipos T), o endurecimento alcançável é limitado em relação às ligas tratáveis termicamente das séries 2xxx ou 6xxx, sendo usado principalmente para estabilizar a microestrutura ou aliviar tensões residuais, em vez de criar grandes ganhos de resistência.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	0,7–1,6	Elemento principal da liga; controla o endurecimento por solução sólida e comportamento térmico
Fe	0,2–0,8	Elemento impureza; forma intermetálicos que influenciam resistência e usinabilidade
Mn	0,05–0,5	Modificador da estrutura de grãos; melhora marginalmente resistência e corrosão
Mg	0,02–0,25	Baixos níveis podem melhorar o endurecimento por deformação; endurecimento por precipitação limitado
Cu	0,02–0,25	Pequenas adições aumentam a resistência mas podem reduzir a resistência à corrosão se altas
Zn	0,02–0,15	Geralmente baixo; mantido limitado para evitar fragilização e suscetibilidade à corrosão sob tensão (SCC)
Cr	0,01–0,10	Elemento vestigial para controle da estrutura de grãos e recristalização nas têmperas
Ti	0,01–0,10	Refinador de grãos adicionado em pequenas quantidades, especialmente em fundidos ou tarugos
Outros	Balanceamento Al	Resíduos e elementos indesejados controlados para atender especificações mecânicas e de corrosão

A combinação de silício com níveis moderados de ferro e manganês define o comportamento mecânico e térmico da liga 4004; o silício reduz principalmente a faixa de fusão localmente e aumenta a resistência via solução sólida e formação de intermetálicos. Elementos vestigiais como Ti e Cr são usados para refinar o tamanho de grão, melhorando tenacidade e conformabilidade, enquanto teores mais elevados de cobre ou zinco são mantidos intencionalmente baixos para preservar a resistência à corrosão e evitar prejuízo à soldabilidade.

Propriedades Mecânicas

O comportamento à tração do 4004 é consistente com uma liga Al-Si não tratável termicamente: oferece resistência à tração e limite de escoamento moderados que podem ser aumentados por encruamento, mas que não alcançam os picos de resistência das ligas endurecidas por envelhecimento. O alongamento no estado recozido é alto, permitindo conformações complexas, e diminui previsivelmente com o aumento da têmpera H. A dureza e os valores de tração são influenciados pela espessura, histórico de processamento e presença de intermetálicos ricos em silício que podem tanto reforçar quanto atuar como pontos de iniciação de trincas sob carregamento cíclico.

O desempenho à fadiga é adequado para muitas aplicações estruturais, mas os engenheiros devem ser cautelosos com fadiga de alto ciclo na presença de entalhes de usinagem ou defeitos de solda, pois os intermetálicos de silício podem localizar tensões. Os efeitos da espessura são significativos: bitolas finas se encruam de forma mais uniforme e alcançam resistências relativas maiores para uma determinada têmpera, enquanto seções mais espessas podem manter núcleos mais macios e exibem ductilidade reduzida em dobra ou estampagem profunda.

Propriedade	O/Recozido	Têmpera Principal (ex.: H14)	Observações
Resistência à Tração (MPa)	90–140	140–220	Faixa de resistência depende do encruamento e da bitola; valores aproximados para chapas
Limite de Escoamento (MPa)	40–80	80–160	Limite de escoamento aumenta significativamente na têmpera H; H14 típica para chapas estruturais
Alongamento (%)	20–35	6–18	O recozimento proporciona ductilidade máxima; têmpera H reduz ductilidade em favor da resistência
Dureza (HB)	20–40	40–90	Brinell/Vickers sobe com o encruamento; dureza correlaciona-se com propriedades de tração

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	2,68–2,71 g/cm³	Densidade típica de liga de alumínio, ligeiramente dependente do teor de liga
Faixa de Fusão	~577–652 °C	Silício reduz pontos de fusão localizados em relação ao Al puro; faixa solidus-liquidus varia com Si
Condutividade Térmica	120–165 W/m·K	Inferior ao alumínio puro, mas ainda elevada comparada a aços; favorável para dissipadores de calor
Condutividade Elétrica	30–45 %IACS	Reduzida em relação ao alumínio puro (60%+ IACS) devido às adições de liga
Calor Específico	~0,88–0,90 J/g·K	Comparável a outras ligas de Al; útil para cálculos de massa térmica
Coeficiente de Expansão Térmica	22–24 µm/m·K	Levemente menor que o alumínio puro em ligas Al-Si, melhorando a estabilidade dimensional com a temperatura

Essas propriedades físicas tornam o 4004 atrativo para aplicações que requerem equilíbrio entre leveza, condução térmica e condutividade elétrica razoável. A condutividade térmica permanece suficientemente alta para muitas aplicações em dissipadores e espalhadores de calor, enquanto a redução na expansão térmica e as características de solidificação melhoradas tornam a liga adequada para conjuntos soldados ou brasados onde a distorção deve ser controlada.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento da Resistência	Temperamentos Comuns	Observações
Chapa	0,3–6,0 mm	Apresenta propriedades fortemente dependentes da espessura; work hardening previsível em chapa	O, H14, H18	Forma principal para painéis de carroceria, trocadores de calor e revestimentos de eletrodomésticos
Placa	6–50+ mm	Seções mais espessas mantêm núcleo mais macio, a menos que sejam muito trabalhadas	O, H12, H14	Utilizada onde é requerida rigidez adicional; conformabilidade limitada para estampagem profunda
Extrusão	Seção transversal 2–80+ mm	Seções extrudadas podem ser estabilizadas por envelhecimento e trabalhadas a frio pós-extrusão	O, H11, H22	Comum para perfis estruturais e armações
Tubo	Ø 6–300 mm	Tubos soldados ou sem costura; resistência depende da espessura da parede e temperamento	O, H14, H18	Usado em manuseio de fluidos e estruturas leves
Barra/Talão	Ø 3–100+ mm	Barras podem ser trefiladas a frio para aumento de resistência; usinabilidade boa	O, H12, H14	Utilizado para componentes usinados e blanks para fixadores

Produtos em chapa e extrusão são as formas de fornecimento mais comuns para 4004, e suas rotas de processamento — laminação, recozimento, redução a frio e nivelamento por tração — determinam as respostas mecânicas finais. Placas e seções mais pesadas são menos conformáveis e frequentemente exigem pré-usinagem ou conformação em etapas, enquanto extrusões se beneficiam do controle de resfriamento e condicionamento do tarugo para gerenciar o fluxo de grãos e acabamento superficial.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	4004	USA	Designação da Aluminum Association; usada em alguns catálogos regionais
EN AW	4xxx (aprox.)	Europa	Designações EN agrupam ligas Al-Si de forma ampla; numeração específica pode variar
JIS	A4xxx (aprox.)	Japão	Normas japonesas listam membros da família Al-Si com químicas similares
GB/T	4xxx (aprox.)	China	Normas chinesas incluem várias ligas trabalhadas Al-Si com propriedades sobrepostas

A equivalência entre normas deve ser tratada com cautela, pois a família 4xxx cobre uma faixa de teores de silício e adições menores que afetam desempenho. O cruzamento deve considerar faixas químicas exatas e definições de temperabilidade; substituição direta sem verificação de propriedades pode gerar diferenças inesperadas na conformabilidade, soldabilidade e resistência à corrosão.

Resistência à Corrosão

A resistência atmosférica do 4004 é geralmente boa para ambientes internos típicos e externos com poluição leve; os teores relativamente baixos de cobre e zinco limitam a aceleração galvânica da corrosão. A presença de intermetálicos de silício e ferro pode criar pontos catódicos locais sob condições agressivas, mas globalmente a liga forma uma camada passiva estável de óxido que protege contra corrosão uniforme.

Em ambientes marinhos e com cloretos, o 4004 apresenta desempenho superior a algumas ligas com cobre, mas ainda é mais suscetível a corrosão por pite em locais de dano mecânico ou descontinuidades de solda, comparado às ligas 5xxx ricas em magnésio. Tratamentos superficiais adequados, selantes e projeto para drenagem são recomendados para mitigar corrosão por frestas e pite em aplicações marinhas expostas.

A suscetibilidade à corrosão sob tensão (Stress Corrosion Cracking - SCC) para 4004 é baixa em relação a ligas temperáveis de alta resistência; contudo, tensões residuais localizadas de soldagem ou trabalho a frio combinadas com ambiente corrosivo podem aumentar o risco. Ao projetar conjuntos em contato com metais diferentes, considerações galvânicas devem ser abordadas — o alumínio 4004 é anódico em relação a aços inoxidáveis e metais nobres, podendo requerer isolamento ou proteção sacrificial para evitar ataque acelerado.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

4004 apresenta boa soldabilidade por fusão com processos padrão como MIG, TIG e soldagem por resistência, devido ao conteúdo de silício que reduz a tendência à trincas a quente. A escolha de consumíveis geralmente favorece ligas com composições Al-Si correspondentes (ex.: arames de enchimento Al-5Si) para controlar a solidificação e minimizar porosidade; pré-aquecimento e controle da entrada térmica melhoram a integridade do junta. A zona afetada pelo calor pode apresentar amolecimento se o material base estiver endurecido por deformação, portanto tratamentos mecânicos pós-soldagem ou compensações de projeto são frequentemente necessários.

Usinabilidade

A usinabilidade do 4004 é classificada de razoável a boa em comparação com alumínio comercialmente puro mais macio; silício e pequenas partículas intermetálicas melhoram a fragmentação do cavaco, mas podem aumentar o desgaste de ferramentas em relação a graus muito puros. Ferramentas de carboneto com ângulo positivo e geometria para alta velocidade proporcionam melhor produtividade, enquanto velocidades de corte moderadas a altas com abundante refrigeração reduzem o acúmulo de cavaco. Fresamento e rosqueamento requerem atenção às velocidades para evitar vibração da ferramenta, e passes de acabamento ajudam a controlar a integridade superficial onde o desempenho à fadiga é crítico.

Conformabilidade

A conformabilidade nos temperamentos O e temperamentos leves H é boa, suportando estampagem profunda e dobras complexas com controle adequado do retorno elástico. Raio mínimo de dobra depende do temperamento e espessura; chapa recozida aceita raios menores (≈1–2× a espessura), enquanto temperamentos H18 ou fortemente trabalhados exigem raios maiores (≥3–6× a espessura). Para operações severas, o uso de temperamentos O ou H12 seguido de estabilização por envelhecimento e ciclos de alívio de tensões otimiza o controle dimensional e reduz o risco de ruptura.

Comportamento ao Tratamento Térmico

Como representante da liga 4xxx, o 4004 é classificado como basicamente não temperável termicamente; não responde ao tratamento térmico convencional de solubilização e envelhecimento artificial com o mesmo aumento significativo de resistência visto em ligas 2xxx ou 6xxx. Tentativas de aplicar tratamentos estilo T6 produzem somente melhorias modestas, então os tratamentos térmicos são usados principalmente para homogeneizar microestruturas fundidas, aliviar tensões ou modificar ligeiramente a ductilidade em vez de gerar ganhos significativos de resistência.

O endurecimento por trabalho é o principal caminho de fortalecimento: redução a frio controlada e caminhos de deformação (H1x/H2x/H3x) permitem aumentos incrementais previsíveis no limite de escoamento e resistência à tração. Ciclos de recozimento completo retornam o material a condição dúctil e são frequentemente especificados antes de operações de conformação; tratamentos de estabilização (ex.: envelhecimento a baixa temperatura) podem ser usados para minimizar deriva das propriedades após conformação ou soldagem.

Desempenho em Alta Temperatura

Em temperaturas elevadas, o 4004 apresenta redução gradual no limite de escoamento e resistência à tração conforme as fases ricas em silício coarsificam e o fortalecimento por solução sólida diminui; a capacidade estrutural útil normalmente se estende a temperaturas de uso moderadamente elevadas (aproximadamente até ~150–200 °C), dependendo da carga e ambiente. A oxidação é mínima comparada a ligas ferrosas, mas exposição prolongada a temperaturas maiores pode causar amolecimento e deriva dimensional; projetistas devem considerar fluência sob cargas mantidas.

Juntas soldadas podem ser sensíveis à exposição em alta temperatura, onde tensões residuais e alterações microestruturais locais criam zonas com capacidade mecânica reduzida; tratamentos térmicos pós-soldagem ou projeto para redistribuição de carga são mitigadores comuns. Para aplicações com ciclos térmicos, a expansão térmica relativamente estável do 4004 e boa condutividade reduzem gradientes térmicos, mas é necessário atenção à iniciação de fadiga térmica em concentradores de tensões.

Aplicações

Indústria	Componente Exemplo	Razão para Uso do 4004
Automotiva	Painéis internos de carroceria, blindagens térmicas	Equilíbrio entre conformabilidade, estabilidade térmica e soldabilidade
Marinha	Componentes estruturais não críticos, acabamentos	Boa resistência à corrosão e capacidade de fabricação para atmosferas marinhas
Aeroespacial	Fixadores secundários, carenagens	Relação favorável entre resistência e peso, estabilidade dimensional térmica
Eletrônica	Dispersores térmicos, invólucros	Alta condutividade térmica com conformação mais fácil que ligas fundidas Al-Si

O 4004 é comumente especificado quando o projeto exige uma combinação de conformabilidade, resistência razoável e comportamento térmico melhorado em comparação com alumínio comercialmente puro ou ligas ricas em cobre. Seu uso nas indústrias automotiva e eletrônica reflete a necessidade de fabricabilidade (conformação, união) junto com desempenho térmico e corrosivo.

Informações para Seleção

Para uma nota rápida de seleção: escolha 4004 quando precisar de resistência moderada com superior conformabilidade e propriedades térmicas em comparação com alumínio comercialmente puro, e onde soldabilidade e baixa suscetibilidade a trincas a quente são importantes. É particularmente atraente quando condutividade térmica e estabilidade dimensional sob ciclos térmicos são fatores determinantes no projeto.

Em comparação com o 1100 (Al comercialmente puro), o 4004 troca um pouco de condutividade elétrica e ligeiramente melhor conformabilidade por aumentos significativos em resistência e estabilidade térmica. Em relação a ligas endurecidas por trabalho como 3003 ou 5052, o 4004 geralmente oferece desempenho térmico comparável ou superior e conformabilidade similar, porém resistência final à corrosão ligeiramente inferior em ambientes com alto teor de cloretos que as ligas 5xxx com magnésio. Em comparação com ligas temperáveis como 6061 ou 6063, o 4004 normalmente apresenta menor resistência máxima, mas melhor soldabilidade e comportamento térmico; selecione-o quando a resistência máxima por envelhecimento não for necessária e quando facilidade de união e conformação forem prioritárias em relação à resistência à tração máxima.

Resumo Final

O Aço Liga 4004 continua relevante porque preenche uma lacuna prática: um alumínio reforçado com silício, não submetido a tratamento térmico, que combina boa conformabilidade, soldabilidade confiável e desempenho térmico favorável para uma ampla gama de aplicações industriais. Seu conjunto equilibrado de propriedades e comportamento previsível no processamento fazem dele uma escolha robusta para projetistas que buscam soluções metálicas manufaturáveis e termicamente estáveis.