Alumínio vs aço na usinagem CNC: custo e desempenho

Alumínio vs aço na usinagem CNC: custo e desempenho

O alumínio e o aço são as duas respostas padrão para «de que material esta peça deve ser feita», e a
maioria dos desenhos escolhe um deles sem explicar por quê. Em resumo: o alumínio ganha em peso, em
custo de usinagem e em tudo o que precisa ser soldado; o aço ganha em desgaste, em rigidez com
espessura limitada e em tudo o que precisa ser duro. A diferença de densidade sozinha — 2.70 g/cm³
contra 7.85 g/cm³, um fator de cerca de 2.9 — decide um número surpreendente de desenhos.

Este artigo coloca os graus mais comuns lado a lado e dá a você as regras de decisão.

A resposta curta

• Escolha alumínio quando a peça for sensível ao peso, precisar ser soldada, tiver de sobreviver em
  ambiente úmido ou corrosivo, ou for simplesmente uma peça de grande volume em que dominam o tempo
  de ciclo e o custo de ferramental. 6061-T6 é a escolha padrão e cobre a maioria dos trabalhos.
• Escolha aço quando a peça sofrer impactos, se desgastar contra outra superfície, precisar ser dura
  ou resistente em uma seção pequena, ou operar ao lado de uma fonte de calor. 1045 para eixos e
  suportes em geral, 4140 para peças que exigem tratamento térmico, 4340 quando a carga é alta.
• Não julgue apenas pela resistência. Divida a tração pela densidade e a classificação muda: o
  6061-T6 chega a cerca de 115 MPa por g/cm³, enquanto até o 4340 — o aço-liga mais forte da tabela
  abaixo — chega a cerca de 95. O alumínio tem melhor relação resistência-peso em quase todos os
  graus.
• Em dureza e resistência ao desgaste o aço não tem resposta. O alumínio para em torno de
  95–150 HB; 4140 e 4340 podem ser tratados termicamente até 38 e 50 HRC, e o D2 até 62 HRC.

Comparação de propriedades

Os números abaixo são os valores já publicados nas páginas de materiais deste site, então você pode
conferir qualquer um deles na página de detalhes correspondente.

Uma ressalva sobre os números do aço: os valores de tração de 1045, 4140 e 4340 são dados no
estado recozido, enquanto os do alumínio estão no estado de trabalho (T6, H32). O aço tratado
termicamente sobe bem acima do valor recozido — um 4340 temperado e revenido a 50 HRC é muito mais
forte do que os 745 MPa da tabela. A comparação continua justa como ponto de partida, mas não use
como valores admissíveis de projeto.

Resistência específica: onde o alumínio ganha

O cálculo útil é a tração dividida pela densidade. Ele diz quanta carga uma massa determinada de
material suporta, e é exatamente isso que importa em um projeto sensível ao peso.

Grau	Tração (MPa)	Densidade (g/cm³)	Resistência específica à tração (MPa por g/cm³)
6061-T6	310	2.70	114.8
6082-T6	340	2.71	125.5
2024-T4	469	2.78	168.7
7075-T6	572	2.81	203.6
1045	585	7.85	74.5
4140	655	7.85	83.4
4340	745	7.85	94.9

Dois resultados merecem uma pausa. Primeiro, o 6061-T6 supera em relação resistência-peso todos os
graus de aço desta tabela. Segundo, o 1045 — o aço carbono mais comum na oficina — tem resistência
específica de cerca de 75, pouco acima do 5052-H32 em 72, o alumínio mais fraco da tabela.

Isso não torna o 1045 uma má escolha. Torna-o uma escolha baseada em rigidez, desgaste e custo, e não
em resistência por quilo.

Onde o aço ganha

Há quatro casos em que o alumínio é a resposta errada, e nenhum deles tem a ver com peso.

1. Desgaste contra outra superfície. Uma bucha, um eixo, uma placa de desgaste ou uma face de
   vedação precisa de dureza. O alumínio não mantém uma aresta viva; o 4140 a 38 HRC ou o 4340 a
   50 HRC mantêm.
2. Seções pequenas com carga alta. O alumínio precisa de aproximadamente o dobro da seção do aço
   para suportar a mesma carga. Se a geometria for imposta por outra coisa — uma peça de
   acoplamento, uma carcaça, um flange padrão — pode não haver espaço para a seção de alumínio mais
   espessa.
3. Impacto e choque. O alumínio tem tenacidade à fratura bem menor e se deforma antes de romper.
   O aço se deforma e sobrevive.
4. Calor. O aço lida muito melhor com a temperatura. Para uma peça ao lado de um forno, de um
   molde ou de um motor, o alumínio é a família de material errada.

Custo de usinagem: o que realmente define o preço

O preço do material costuma ser a menor metade da cotação. Estes quatro itens costumam ser a maior
metade.

• Tempo de ciclo. O alumínio tem classificação "Excelente" em usinabilidade nas páginas de
  materiais deste site, e 1045 e 4140 apenas "Boa". Na prática, uma peça de alumínio com a mesma
  geometria corre mais rápido e muitas vezes pode operar com taxas de avanço mais altas.
• Vida útil da ferramenta. O alumínio é muito mais gentil com os insertos. O 7075-T6, ainda
  classificado apenas como "Boa", corta mais duro e desgasta a ferramenta visivelmente mais rápido.
  Essa é a razão mais comum de uma peça em 7075 terminar custando mais do que a cotação de 6061
  sugeria.
• Operações secundárias. O alumínio é soldado e anodizado; o aço muitas vezes precisa de
  pré-aquecimento antes da solda e de decapagem ou passivação depois. São custos de preparação
  separados.
• Rebarbação e acabamento. Um material mais mole e mais ductil gera rebarbas de outro tipo e
  muitas vezes exige mais trabalho manual ou outra estratégia de rebarbação.

O aço não é mais caro de usinar em todos os casos. O 4340 e o D2 são classificados como "Regular" e
"Ruim" em usinabilidade — o D2 especificamente por causa de seus carbonetos abrasivos — e esses
graus custarão mais em tempo de ciclo do que o 6061. A combinação cara não é "aço"; é "aço-ferramenta
duro, abrasivo e com tolerâncias apertadas".

Uma ordem de decisão que você pode seguir

Quando um desenho chega à sua mesa, pergunte nesta ordem:

1. A peça raspa contra outra superfície ou precisa de uma aresta viva? Sim → aço, e escolha a
   condição pelo requisito de desgaste e não pelo preço.
2. A peça é crítica em peso ou é manuseada muito? Sim → alumínio, e verifique se a espessura
   continua usinável.
3. Há solda? Se sim e a peça for de alumínio, a resposta é 6061 ou 6082. Se a peça precisar ser de
   aço, o 1045 solda sem pré-aquecimento; 4140 e 4340 precisam dele.
4. Está perto de calor ou precisa sobreviver a um impacto? Sim → aço.
5. Nada disso? → 6061-T6. É o caminho mais barato até uma peça acabada na maioria dos casos.
   

   

Como ajudamos nessa decisão

A seleção de material é uma etapa fixa da revisão DFM que fazemos entre receber um desenho e devolver
uma cotação. Nossos engenheiros verificam:

• Se o desenho informa a liga e a condição. "Peça de aço" não é especificação; 1045 e 4340 são
  produtos diferentes, com preços e prazos de entrega diferentes.
• Se o acabamento de superfície e o material são compatíveis. A anodização se aplica apenas ao alumínio,
  e a anodização dura sobre 7075 acrescenta tensões residuais que precisam ser contabilizadas.
• Se o tratamento térmico é mesmo necessário ou se foi copiado de um desenho antigo. É uma das linhas
  mais caras de uma cotação de aço e muitas vezes é desnecessário.
• O plano de ferramental e tempo de ciclo, que costuma ser o que transforma "alumínio é mais barato" em
  um número comparável com a alternativa em aço.

Se você tem uma peça em que o material ainda está em aberto, envie o arquivo e devolveremos uma cotação
para as duas opções, para que você compare as duas na mesma base.

Os valores de propriedades são números típicos de manuais públicos de materiais (ASM/MatWeb) e das
páginas de materiais deste site. Os valores reais variam com a forma do produto, a condição e o lote.
Tome suas decisões de engenharia com base na especificação de material que você tem em mãos e em dados
medidos, não apenas nesta tabela.