Scalmalloy de Alumínio (Al-Mg-Sc-Zr): Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

Scalmalloy é uma liga proprietária da família Al-Mg-Sc-Zr desenvolvida para aplicações de alto desempenho onde se exige uma combinação de alta resistência específica e boa tenacidade à fratura. Não se enquadra nas designações clássicas das séries 2xxx/3xxx/5xxx/6xxx/7xxx porque é um conceito moderno de alumínio ligado, voltado para fabricação aditiva e formas forjadas especializadas; é mais frequentemente descrito como uma liga Al-Mg-Sc-Zr em vez de um número de série AA único.

Os principais elementos de liga são magnésio (Mg), para endurecimento por solução sólida e menor densidade, escândio (Sc) e zircônio (Zr), para a precipitação de dispersóides finos e coerentes do tipo Al3(Sc,Zr), e o controle em traços de ferro, silício e outros resíduos. O endurecimento ocorre principalmente por envelhecimento por precipitação dos dispersóides Al3Sc e Al3(Sc,Zr) que nucleiam e fixam os contornos de grão; o encruamento contribui em alguns tratamentos para formas forjadas, mas o mecanismo definidor é o endurecimento por precipitação tratável termicamente.

Características-chave incluem uma relação força-peso muito alta em comparação com ligas convencionais de alumínio, melhor refinamento de grão e resistência à recristalização devido aos dispersóides Sc/Zr, boas propriedades à fadiga e resistência à corrosão competitiva em relação às ligas de alta resistência típicas. A conformabilidade e soldabilidade podem ser excelentes em tratamentos recozidos ou processados adequadamente, mas exigem controle cuidadoso para preservar a estrutura dos dispersóides; esses fatores tornam Scalmalloy atraente para os setores aeroespacial, automobilismo de alto desempenho, automotivo premium e indústrias baseadas em manufatura aditiva.

Engenheiros escolhem Scalmalloy quando os requisitos de projeto priorizam resistência específica máxima, microestrutura estável durante processamento a temperaturas elevadas e resistência ao crescimento de grão. É frequentemente selecionado em lugar das ligas convencionais 6xxx e 7xxx quando se necessita de melhor estabilidade microestrutural, vida útil superior à fadiga, ou quando a manufatura aditiva possibilita geometrias complexas que se beneficiam do comportamento da liga na metalurgia do pó.

Variações de Tratamento Térmico

Tratamento	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto	Excelente	Excelente	Totalmente recozido, máxima ductilidade para conformação
H14	Médio	Moderado	Bom	Bom	Endurecido por encruamento, aumento do limite de escoamento com conformabilidade mantida
T5	Médio-Alto	Moderado	Bom	Bom	Resfriado após trabalho a quente e envelhecido artificialmente
T6	Alto	Baixo-Moderado	Regular	Bom	Solucionado, têmpera e envelhecimento artificial até resistência máxima
T651	Alto	Baixo-Moderado	Regular	Bom	Alívio de tensões após têmpera e envelhecimento; usado para dimensões críticas
AM-As-Built (sem sufixo)	Variável	Variável	Limitado	Variável	Estado fabricado aditivamente; propriedades dependem do processo e tratamento posterior

O tratamento térmico afeta fortemente o Scalmalloy por controlar o tamanho, densidade e distribuição dos dispersóides Al3(Sc,Zr) e quaisquer precipitados ricos em Mg. O tratamento recozido O maximiza a ductilidade e conformabilidade, porém sacrifica a maior parte da resistência por precipitação que define a vantagem do Scalmalloy.

Tratamentos térmicos como T5/T6 elevam o limite de escoamento e a resistência à tração por nucleação e crescimento controlados das partículas nanoscópicas Al3(Sc,Zr); o envelhecimento excessivo reduz a resistência máxima, mas pode melhorar a tenacidade e a resistência a fenômenos de corrosão sob tensão. Para o material fabricado aditivamente, os ciclos térmicos in-situ e o envelhecimento pós-processamento personalizado podem produzir propriedades iguais ou superiores às equivalentes forjadas T6.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,4 (típico)	Silício controlado em baixos níveis para evitar intermetálicos frágeis; pode variar para produção de pó
Fe	≤ 0,6 (típico)	Conservado em níveis baixos para limitar partículas intermetálicas grosseiras que reduzem a tenacidade
Mn	≤ 0,2	Elemento minoritário, geralmente baixo; auxilia no controle da estrutura granular se presente
Mg	~3,0–6,0	Elemento principal para resistência e redução de densidade; participa da solução sólida e potenciais precipitados ricos em Mg
Cu	≤ 0,2	Baixo cobre para evitar suscetibilidade excessiva à corrosão e trincas a quente
Zn	≤ 0,25	Baixo zinco para evitar propensão a trincas por corrosão sob tensão
Cr	≤ 0,1	Normalmente baixo; controlado para evitar fases indesejadas
Ti	≤ 0,1	Traços às vezes usados para refinar grãos em metalurgia do pó
Outros (Sc, Zr)	Sc ~0,1–0,7, Zr ~0,05–0,25	Escândio e zircônio são os elementos característicos que produzem dispersóides estáveis do tipo Al3(Sc,Zr)

O teor relativamente modesto de Mg proporciona endurecimento por solução sólida e reduz a densidade em relação ao alumínio puro, enquanto as adições de escândio e zircônio formam dispersóides coerentes L12 Al3(Sc,Zr) que fixam discordâncias e contornos de grão. O controle de impurezas como ferro e silício é crítico porque partículas intermetálicas grosseiras degradam o desempenho à fadiga e anulam alguns benefícios dos dispersóides na escala nanométrica.

Sc e Zr também melhoram dramaticamente a resistência à recristalização, permitindo a manutenção de microestruturas finas durante o trabalho a quente ou manufatura aditiva; isso contribui diretamente para melhor limite de escoamento, tenacidade e resistência à fadiga em comparação com ligas contendo apenas Mg.

Propriedades Mecânicas

O Scalmalloy apresenta alta resistência à tração com uma relação limite de escoamento/resistência à tração relativamente elevada em comparação com muitas ligas convencionais de alumínio, e esse comportamento depende fortemente do tratamento térmico e da rota de processamento. Temperas envelhecidas no pico (semelhantes ao T6) produzem as maiores resistências à tração (UTS) e ao escoamento via dispersóides densos Al3(Sc,Zr), enquanto temperas recozidas apresentam alongamentos significativamente maiores e maior capacidade de conformação. A resistência à fadiga é tipicamente excelente para sua classe de resistência, devido aos grãos refinados e à dispersão homogênea de partículas nanométricas que reduzem os locais de iniciação de trincas.

A dureza correlaciona-se com a densidade dos precipitados e a condição de envelhecimento; a dureza Vickers em material envelhecido no pico é elevada e apresenta boa retenção após exposição térmica em comparação com muitas ligas Al-Mg ou Al-Zn-Mg. A espessura e o método de fabricação (chapa forjada versus pó aditivo) afetam as propriedades; seções mais espessas podem apresentar resistência máxima ligeiramente inferior devido ao resfriamento mais lento e à tendência de coarsening, a menos que o teor de Zr ou o pós-processamento sejam otimizados. A resistência à corrosão e à corrosão sob tensão é geralmente favorável, mas deve ser verificada em relação aos ambientes de serviço específicos, pois condições de alta resistência trocam um pouco de ductilidade por resistência.

Propriedade	O/Recozido	Tratamento Chave (ex.: T6)	Observações
Resistência à Tração (UTS)	~200–320 MPa	~420–560 MPa (faixa típica)	Faixa ampla dependendo do processamento; variantes AM podem superar valores forjados
Limite de Escoamento	~90–220 MPa	~350–480 MPa (faixa típica)	O escoamento aumenta significativamente com precipitação e encruamento
Alongamento	~18–35%	~6–15%	Temperas no pico reduzem alongamento; estados recozidos proporcionam conformabilidade
Dureza (HV)	~40–80 HV	~120–180 HV	Dureza corresponde à densidade do precipitado e à condição de envelhecimento

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	~2,68 g/cm³	Um pouco abaixo do alumínio puro devido ao Mg; valor varia conforme composição
Faixa de Fusão	Sólido ≈ 580–610 °C; Líquido ≈ 640–660 °C	Faixa aproximada dependente da liga; tratamentos térmicos utilizam temperaturas abaixo do sólido
Condutividade Térmica	~100–150 W/m·K	Inferior ao alumínio puro devido à liga; boa para muitos papéis em gerenciamento térmico
Condutividade Elétrica	~30–45 % IACS	Reduzida em relação ao alumínio puro devido a Mg e dispersóides
Calor Específico	~0,88–0,92 J/g·K (≈880–920 J/kg·K)	Típico de ligas de alumínio próximas à temperatura ambiente
Coeficiente de Dilatação Térmica	~23–25 ×10⁻⁶ /K	Coeficiente similar ao de ligas estruturais comuns de alumínio

As propriedades físicas tornam o Scalmalloy atraente onde são necessárias rigidez específica e desempenho térmico com penalidade de massa reduzida. A densidade e a dilatação térmica são comparáveis a outras ligas de Al-Mg, permitindo compatibilidade com muitos sistemas e juntas baseados em alumínio sem expansão diferencial excessiva.

A condutividade térmica permanece adequada para aplicações de dissipação de calor, embora os projetistas devam considerar a condutividade reduzida em relação ao alumínio puro e analisar revestimentos superficiais ou geometria do projeto para otimizar caminhos térmicos quando usado como dissipador de calor.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Estados de Tratamento Térmico Comuns	Observações
Chapa	0,5–6 mm	Boa uniformidade em espessuras finas	O, T5, T6	Amplamente utilizada para painéis e estruturas formadas; o tratamento térmico controla a conformabilidade
Placa	>6 mm	A resistência pode variar com a espessura	T6, T651	Placas grossas exigem tratamento térmico cuidadoso para evitar precipitados grosseiros
Extrusão	Perfis complexos, vários tamanhos	Excelente quando homogeneizada	T5, T6	Controle de grão longitudinal e resistência à recristalização auxiliam na extrudabilidade
Tubo	Diâmetro externo variável, parede fina a espessa	Comportamento similar ao de extrudados	T5, T6	Usado para tubos estruturais e componentes para aplicações sob pressão
Barra/Haste	Diâmetros até grandes seções	Boa usinabilidade no estado recozido	O, Hxx, T6	Barras utilizadas para conexões usinadas e fixadores
Pó / Fabricação Aditiva (AM)	Partículas de pó 15–60 µm; construções AM variáveis	Como-built pode ser otimizado para altas resistências	AM-As-Built, envelhecimentos pós-processo T5/T6	Scalmalloy é amplamente utilizado em forma de pó para processos aditivos LPBF/EBM

Diferenças no processamento afetam diretamente a microestrutura e, portanto, o comportamento mecânico; formas produzidas por fabricação aditiva podem exigir tratamentos térmicos pós-construção específicos para obter o fortalecimento por precipitação completo, enquanto placas e extrusões tradicionais dependem de ciclos convencionais de solubilização e envelhecimento. A seleção da forma do produto é guiada pela geometria, acabamento superficial, tolerância dimensional e pela disponibilidade de processos em alta temperatura (ex.: homogeneização por extrusão ou ciclos térmicos da AM) para estabilizar as estruturas dispersas.

A via da metalurgia do pó é um diferencial chave do Scalmalloy, permitindo geometrias complexas, alta eficiência de construção e microestruturas difíceis de alcançar via fundição ou processos tradicionais; projetistas devem especificar tanto a forma quanto o pós-processamento para garantir as propriedades desejadas.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr)	EUA	Liga proprietária; não é uma designação oficial da série AA
EN AW	Não padronizado / proprietária	Europa	Normalmente fornecida como designações proprietárias ou especificações específicas do cliente
JIS	Sem equivalente direto	Japão	Não existe grau JIS padrão; desempenho semelhante comparado a ligas Al-Mg-Sc de alta resistência
GB/T	Graus proprietários / experimentais	China	Produtores locais podem oferecer ligas Sc-Zr-Mg, mas composição exata e temperamento variam

Não existem equivalentes diretos um a um para o Scalmalloy em normas publicadas convencionais, pois a liga é proprietária e otimizada para processos baseados em pó e ligas contendo escândio. Fornecedores europeus e asiáticos frequentemente listam ligas contendo escândio como graus proprietários ou designações experimentais, ao invés de números AW padronizados.

Ao comparar com normas, engenheiros devem tratar o Scalmalloy como uma família distinta e verificar certificados de propriedades químicas e mecânicas dos fornecedores; a substituição requer cuidadosa consideração do conteúdo de dispersoides e histórico de processamento, ao invés de simples correspondência elemento a elemento.

Resistência à Corrosão

O Scalmalloy geralmente oferece boa resistência à corrosão atmosférica, semelhante ou superior a muitas ligas de alumínio de alta resistência, pois a microestrutura fina e homogênea limita sítios galvânicos localizados e intermetálicos grosseiros. Em atmosferas neutras e levemente corrosivas, apresenta bom desempenho, especialmente quando envelhecido e tratado superficialmente; anodização ou revestimentos de conversão reforçam ainda mais a proteção da superfície.

Em ambientes marinhos com cloretos, o Scalmalloy apresenta resistência razoável à corrosão por picadas em relação às ligas 7xxx de alta resistência, mas não é tão inerentemente resistente quanto certas ligas 5xxx contendo magnésio, projetadas especificamente para exposição à água do mar. Projetistas devem considerar possíveis ataques localizados em regiões estagnadas ou com fendas e especificar revestimentos adequados ou proteção catódica onde a exposição for severa.

A suscetibilidade à trinca por corrosão sob tensão é tipicamente menor comparada às famílias Al-Zn-Mg (7xxx) de alta resistência, porque os dispersoides Sc/Zr reduzem a precipitação em contornos de grão e dificultam a propagação de trincas. As interações galvânicas seguem o comportamento padrão do alumínio; o Scalmalloy permanece anódico em relação a aços inoxidáveis e ligas de cobre, portanto contato isolante ou proteção sacrificial devem ser considerados em montagens com metais mistos.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

A soldagem do Scalmalloy é viável com técnicas TIG e MIG quando os procedimentos controlam a entrada de calor e a compatibilidade do metal de adição. Ligas recomendadas para metal de adição são tipicamente à base de Al-Mg ou especificas com escândio, se disponíveis, para evitar grande desajuste composicional e manter a ductilidade na junta. As Zonas Afetadas pelo Calor (ZAC) podem apresentar amolecimento caso os dispersoides coarsenem ou as distribuições de precipitados se alterem, por isso envelhecimento artificial pós-soldagem ou tratamentos térmicos localizados são usados para restaurar propriedades. O risco de trinca quente é moderado; baixo teor de cobre e controle do silício reduzem a suscetibilidade em comparação a algumas ligas Al-Zn.

Usinabilidade

A usinabilidade em condição recozida é similar a outras ligas de alumínio de média resistência e geralmente favorável com ferramentas de carboneto afiadas, velocidades de avanço moderadas e altas velocidades de corte. Em temperas envelhecidas ao pico ou de alta resistência, o aumento da dureza pode elevar o desgaste das ferramentas, exigindo ferramentas mais robustas e profundidade de corte reduzida para manter o acabamento superficial. A formação de cavacos é tipicamente contínua e dúctil; recomenda-se o uso de fluido refrigerante para controlar a aresta acumulada e soldagem de cavacos nas ferramentas. Materiais como carboneto ou diamante policristalino oferecem boa vida útil em operações CNC de alto volume.

Conformabilidade

A conformabilidade a frio é melhor nos estados O ou H, onde a alongamento é maior; raios mínimos de curvatura devem seguir as diretrizes padrão para alumínio, tipicamente 2–3× a espessura do material para dobras de pequeno raio em chapas recozidas. Temperas envelhecidas ao pico reduzem o alongamento e aumentam o repuxamento, portanto a conformação deve ser feita em estados mais maleáveis seguida de solubilização e envelhecimento se a resistência final for necessária. Técnicas de conformação a quente e conformação incremental de chapas beneficiam-se da resistência à recristalização do Scalmalloy, permitindo formas complexas com retenção da microestrutura fina. Para estampagem profunda, um pré-envelhecimento para condição de resistência média frequentemente equilibra conformabilidade e propriedades finais.

Comportamento ao Tratamento Térmico

O Scalmalloy é sensível a tratamento térmico e responde principalmente ao tratamento de solubilização seguido de têmpera e envelhecimento artificial para produzir uma distribuição densa de dispersoides Al3(Sc,Zr). Temperaturas típicas de solubilização variam aproximadamente entre 500–540 °C, com têmpera para reter a sobresaturação dos solutos; o envelhecimento artificial subsequente a 200–300 °C por várias horas gera a dureza e resistência máximas. A adição de Zr retarda o crescimento dos precipitados Al3Sc, ampliando a janela de envelhecimento e melhorando a estabilidade térmica em comparação às ligas somente com Sc.

Como os precipitados Al3(Sc,Zr) são coerentes e altamente estáveis, o Scalmalloy apresenta menor sensibilidade a sobreenvelhecimento do que muitas ligas convencionais Al-Mg ou Al-Zn-Mg, mas a exposição prolongada a temperaturas elevadas eventualmente fará crescer os precipitados e reduzir a resistência máxima. Para material fabricado aditivamente, ciclos térmicos in situ podem induzir precipitação parcial durante a construção, e um curto ciclo de solubilização ou envelhecimento direto pós-construção frequentemente produz propriedades mecânicas otimizadas sem tratamento térmico de solubilização em alta temperatura. O trabalho a frio pode ser usado para aumentar a resistência em temperas sem tratamento térmico, e o recozimento reverte o material para uma condição dúctil para conformação ou união.

Desempenho em Alta Temperatura

O Scalmalloy mantém resistência útil em temperaturas moderadamente elevadas em comparação com muitas ligas de alumínio, pois os dispersoides Al3(Sc,Zr) resistem ao coarsening e continuam a impedir o movimento de discordâncias. A retenção de resistência é tipicamente aceitável até aproximadamente 200–250 °C para serviços de longo prazo, com amolecimento progressivo acima desta faixa à medida que ocorre coarsening dos precipitados e recuperação da matriz. Excursões de curto prazo a temperaturas mais altas (até ~300 °C) podem ser toleradas sem perda catastrófica, mas projetistas devem evitar exposição sustentada nesses níveis, a menos que validada por testes de longo prazo.

A oxidação é típica das ligas de alumínio; camadas protetoras de óxido se formam rapidamente em temperaturas elevadas, mas não impedem alterações nas propriedades estruturais devido ao coarsening de precipitados. A zona afetada pelo calor ao redor de soldas e zonas localmente aquecidas pode apresentar redução de resistência e deve ser avaliada quanto ao fluência ou relaxamento sob cargas em serviço em temperaturas elevadas.

Aplicações

Indústria	Componente Exemplo	Por que o Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr) é Usado
Automotiva	Suportes estruturais, componentes de suspensão	Alta resistência específica e resistência à fadiga reduzem massa e melhoram a durabilidade
Marinha	Fixações estruturais, componentes para embarcações pequenas	Boa relação resistência/peso e resistência razoável à corrosão em ambientes com cloretos
Aeroespacial	Fixadores, suportes, peças estruturais leves	Resistência específica excepcional e estabilidade térmica para peças críticas e leves
Motorsport	Gaiolas antiviragem, componentes do chassi	Permite economia de peso agressiva com manutenção da resistência em colisões
Eletrônica	Dispersores de calor leves, estruturas de suporte	Equilíbrio entre condutividade térmica e rigidez com menor massa
Manufatura Aditiva	Protótipos estruturais complexos e peças de produção	Liga otimizada para fusão a leito de pó com alta capacidade de propriedades mecânicas

A combinação do Scalmalloy de alta resistência, estabilidade durante o processamento térmico e compatibilidade com metalurgia do pó o torna valioso em setores onde são necessários componentes leves e de geometria complexa. Seu uso na manufatura aditiva ampliou a liberdade de projeto, permitindo desempenho que rivaliza ou supera muitas ligas de alumínio de alta resistência produzidas convencionalmente.

Orientações para Seleção

Escolha Scalmalloy quando os projetistas necessitarem de alta resistência específica e excelente resistência à fadiga, e quando os métodos de fabricação (forjados ou aditivos) e orçamentos permitirem uma liga contendo Sc. É mais indicado quando a economia de peso, estabilidade microestrutural e manutenção de grãos finos durante processos de conformação a quente ou ciclos térmicos de manufatura aditiva forem requisitos principais.

Comparado ao alumínio comercialmente puro (ex.: 1100), o Scalmalloy troca condutividade elétrica e térmica e melhor conformabilidade por resistência muito superior e melhor desempenho em fadiga; use Scalmalloy quando a eficiência estrutural superar a máxima condutividade. Em relação às ligas conformadas comuns, como 3003 ou 5052, o Scalmalloy oferece resistência substancialmente maior com vida à fadiga comparável ou melhor, embora em certos ambientes marinhos a resistência à corrosão de ligas da série 5xxx seja superior. Comparado às ligas tratáveis termicamente, como 6061 ou 6063, o Scalmalloy frequentemente apresenta estabilidade térmica superior e controle microestrutural; é preferido quando a retenção de alta resistência a longo prazo e estabilidade microestrutural em peças complexas ou fabricadas aditivamente forem necessárias, apesar de potenciais compensações de custo e disponibilidade.

Resumo Final

O Scalmalloy (Al-Mg-Sc-Zr) permanece relevante porque combina de forma única microestruturas estabilizadas por precipitação com excelentes propriedades resistência/peso e resistência à fadiga, e se adapta bem a rotas modernas de fabricação, como manufatura aditiva e processamento avançado de ligas forjadas. Sua química ajustada de Mg, Sc e Zr oferece aos projetistas uma solução durável e de alto desempenho em alumínio para aplicações estruturais exigentes onde ligas convencionais não conseguem atender aos requisitos combinados de resistência, estabilidade e conformabilidade.