comportamiento a la segregación de los elementos de aleación

Congreso SAM/CONAMET 2007
San Nicolás, 4 al 7 Septiembre de 2007
INFLUÊNCIA DOS TEORES DE MANGANÊS E FERRO NA CONDUTIVIDADE
ELÉTRICA DE DUAS LIGAS DO SISTEMA Al-Fe-Mn-Si OBTIDAS POR
LINGOTAMENTO CONTÍNUO (TWIN ROLL CASTER)
R. C. Fernandes (1), R. A. Renzetti (2), M. J. R. Sandim (2), H. R. Z. Sandim (2)
A. F. Padilha (3)
(1) Companhia Brasileira de Alumínio
18125-000, Alumínio, SP, Brasil.
(2) Escola de Engenharia de Lorena
Universidade de São Paulo – USP
12600-970, Lorena, SP, Brasil.
(3) Escola Politécnica
Universidade de São Paulo – USP
05508-900, São Paulo, SP, Brasil.
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
RESUMO
Ligas de alumínio obtidas pelo processo Twin-Roll-Caster tendem a formar soluções sólidas supersaturadas
como conseqüência das elevadas taxas de resfriamento envolvidas no processo (300 a 700oC/s). Neste
trabalho investigou-se a evolução da condutividade elétrica em duas ligas comerciais de alumínio AA3003 e
AA8106 obtidas pelo método Caster. A soma dos teores de manganês, ferro e silício para as duas ligas
investigadas é de aproximadamente 2%, entretanto a relação Mn/Fe é de 1,94 para a liga AA3003 e de 0,26
para a liga AA8106. Foram investigadas amostras no estado bruto de fundição e após tratamento térmico de
homogeneização (500oC por 12 h). A caracterização microestrutural das amostras foi feita por meio de
microscopias ótica e eletrônica de varredura. A condutividade elétrica foi obtida com um condutivímetro de
contato. A variação da resistividade elétrica com a temperatura para T < 50 K foi determinada utilizando-se
o método das quatro pontas. Os resultados da condutividade elétrica e da fração volumétrica de
precipitados mostram que o manganês é o elemento que mais influencia a condutividade elétrica durante a
homogeneização, em comparação com o ferro.
Palavras-chave: Ligas de alumínio, Twin Roll Caster, condutividade elétrica, precipitação.
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos anos vem ocorrendo um aumento no processamento de ligas de alumínio com a utilização da
tecnologia Twin Roll Caster, ultrapassando 1 milhão de toneladas/ano [1,2]. Cerca de 20% dos produtos
laminados de alumínio são obtidos com o uso desta tecnologia [3].
O tradicional método de vazamento de placas DC (“Direct Chill”) necessita de uma etapa de laminação a
quente até grandes reduções para quebrar a estrutura grosseira de grãos antes da laminação a frio. A grande
vantagem da tecnologia “Twin Roll Caster”, frente a este processo, é não necessitar desta operação. Assim,
na tecnologia “Twin Roll Caster” (TRC) o metal fundido é convertido em chapa bobinada, com espessuras
tão baixas quanto 2,5 mm, adequadas à conformação de chapas e folhas via laminação a frio [1,4]. O sistema
de lingotamento Caster consiste na produção de chapas de alumínio a partir da passagem de metal líquido
por dois cilindros refrigerados à água, combinando solidificação e laminação a quente em uma única
operação e produzindo tiras que são facilmente bobinadas [5]. Uma das características mais marcantes de
ligas obtidas por Caster, como conseqüência das elevadas taxas de resfriamento envolvidas no processo
(300-700oC/s), é que parte significativa dos elementos de liga está presente formando uma solução sólida
supersaturada [6,7]. Após subseqüente tratamento térmico, as mudanças microestruturais nas chapas de
alumínio são dependentes da solubilidade e da difusividade desses elementos de liga na matriz. Isto é
particularmente importante nos tratamentos de homogeneização que precedem a deformação a frio.
Neste trabalho foi investigada a influência dos teores de manganês e ferro na condutividade elétrica de duas
ligas obtidas pelo processo TRC: AA3003 (1,2% Mn e 0,6% Fe) e AA 8106 (0,39% Mn e 1,5% Fe), no
estado bruto de fundição e após homogeneização em 500oC por 12 h (resfriamento ao ar). Os teores de silício
1941
são próximos nas duas ligas. Estas ligas não-tratáveis termicamente são comumente utilizadas em produtos
estampados [8,9].
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Duas ligas de alumínio produzidas pelo método TRC foram investigadas: AA3003 e AA 8106. Detalhes
sobre a produção das ligas investigadas podem ser encontrados na referência [7]. A composição química das
ligas utilizadas nesta investigação é apresentada na Tabela 1. A quantidade total de elementos de liga (ferro,
manganês e silício) para ambas as ligas é de cerca de 1,98%. Entretanto, a relação Mn/Fe é de ≈ 1,94% para
a liga AA3003 e de ≈ 0,26% para a liga AA8106.
Tabela 1: Composição química (em % peso) das ligas AA3003 e AA8106 nas posições centro, ¼ da
espessura da chapa.e superfície.
Liga
AA3003
AA8106
Posição
Si
Mn
Fe
Mg
Cr
Ti
Cu
Superfície
0,084
1,224
0,631
0,001
0,004
0,024
0,12
¼
0,083
1,223
0,630
0,001
0,004
0,029
0,12
Centro
0,084
1,221
0,631
0,001
0,004
0,028
0,12
Superfície
0,098
0,387
1,510
0,007
0,003
0,028
0,019
¼
0,099
0,388
1,505
0,007
0,004
0,027
0,019
Centro
0,100
0,387
1,512
0,007
0,004
0,027
0,02
As amostras foram obtidas a partir de chapas com 7 mm de espessura nas condições bruta de fundição e após
tratamento térmico de homogeneização de 500oC por 12 h. As amostras no estado bruto de fundição
pertencentes às ligas AA3003 e AA8106 foram nomeadas 3B e 8B, respectivamente. Após tratamento
térmico de homogeneização as amostras correspondentes foram nomeadas de 3H e 8H. A microestrutura das
amostras foi investigada utilizando-se microscopias ótica (MO) e eletrônica de varredura (MEV). Foram
obtidas imagens das amostras nas direções longitudinal, transversal e normal à direção de laminação. Com
exceção da direção normal, foram obtidas micrografias da superfície e da região central das amostras. A
fração volumétrica de partículas foi determinada por meio de metalografia quantitativa a partir de imagens de
campo escuro obtidas via MO. A condutividade elétrica das amostras foi determinada com o auxílio de um
condutivímetro de contato em temperatura ambiente. A caracterização das propriedades elétricas foi
complementada com a obtenção de curvas de resistividade elétrica em função da temperatura (T < 50 K).
Essas medidas foram obtidas pelo método das quatro pontas utilizando-se um sistema Maglab-Exa-Oxford.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Caracterização microestrutural
Análises químicas realizadas ao longo da espessura das chapas das duas ligas não revelaram variações na
composição química ao longo da espessura das chapas. Por outro lado, com relação à distribuição de
precipitados, as Figuras 1 e 2 mostram as micrografias obtidas ao longo da direção longitudinal das amostras
3B e 8B, respectivamente, na superfície e na região central das amostras. A partir dessas imagens verificouse que, em comparação com o centro, na superfície existe uma fina distribuição de precipitados orientados na
direção de solidificação, mais evidente para a amostra 3B. A partir da superfície para o centro das amostras
existe um decréscimo na fração volumétrica (no conteúdo) e um aumento no tamanho dos precipitados. Isto é
uma evidência da alta taxa de resfriamento na superfície da amostra, típica do processo TRC.
Resultados de microanálise química (MEV-EDS) na matriz das amostras brutas de fundição não indicaram
evidências de ferro ou manganês em solução sólida para a amostra 8B, entretanto a presença de manganês é
nítida na amostra 3B. Com relação à composição química dos precipitados, a mesma análise mostrou que
para ambas as amostras o ferro é o elemento de liga com maior concentração. Estes resultados indicam que
devido a sua baixa solubilidade no alumínio (0,052% em temperatura ambiente), o ferro é principalmente
encontrado como precipitado do tipo Fe4Al13 na liga AA8106 [10,11]. Por outro lado, o manganês cuja
1942
solubilidade em alumínio é de 1,82% em temperatura ambiente, supersatura a matriz da liga AA3003. Nesta
liga o principal precipitado encontrado é o MnAl6 [10,11]. As frações volumétricas de precipitados (VV)
encontradas nas amostras brutas de fundição foram de 5,8 e 8,1 para as amostras 3B e 8B, respectivamente.
Como esperado, a amostra 8B apresentou o maior valor de VV, devido à baixa solubilidade do ferro no
alumínio.
A Figura 3 mostra as micrografias da amostra 3H na direção longitudinal. Depois da homogeneização, de
uma maneira análoga à condição bruta de fundição, a superfície da amostra apresenta uma alta densidade de
precipitados. A partir da comparação das Figuras 1b e 3b observou-se um aumento na quantidade
(concentração) de precipitados causada pelo tratamento térmico de homogeneização. Diferentemente da
amostra 3H, a amostra 8H mostrou uma quantidade (concentração) similar de precipitados no centro e na
superfície, como mostrado na Figura 4. Os resultados da fração volumétrica de precipitados das amostras no
estado bruto de fundição e após homogeneização são mostrados na Tabela 2, para comparação. É importante
destacar que os valores de fração volumétrica da Tabela 2 só têm significado relativo e não absoluto, pois é
provável que eles estejam superestimados pela técnica metalográfica de campo escuro utilizada.
A partir dessa tabela observa-se um aumento na VV em conseqüência do tratamento térmico de
homogeneização para ambas as amostras investigadas. Entretanto, o maior aumento na fração volumétrica de
precipitados foi encontrado para a liga AA3003 (75,9%). Este comportamento está certamente associado ao
elevado conteúdo de manganês em solução sólida presente na amostra 3B. Os resultados da caracterização
das propriedades elétricas das amostras descritas a seguir suportam esta idéia.
DN
DL
(a)
(b)
Figura 1: Micrografias mostrando a distribuição de precipitados na amostra 3B na secção longitudinal:
a) superfície; b) centro (MO).
DN
(a)
DL
(b)
Figura 2: Micrografias mostrando a distribuição de precipitados da amostra 8B na secção longitudinal:
a) superfície; b) centro (MO).
1943
Tabela 2: Valores de fração volumétrica de precipitados para as amostras das ligas AA3003 e AA8106 nos
estados bruto de fundição e homogeneizado.
Amostra
% Vv
Variação na %Vv
3B
5,8 + 0,5
+75,9%
3H
10,2 + 0,3
8B
8,1 + 0,7
+39,5%
8H
11,3 + 0,5
DN
DL
(a)
(b)
Figura 3: Micrografia revelando a distribuição de precipitados da amostra 3H na secção longitudinal:
a) superfície; b) centro (MO).
DN
DL
(a)
(b)
Figura 4: Micrografias revelando a distribuição de precipitados da amostra 8H na secção longitudinal:
a) superfície; b) centro (MO).
3.2 Caracterização das propriedades elétricas
A presença de elementos de liga em solução sólida afeta fortemente a resistividade elétrica (ρ) de
ligas metálicas. Quanto maior essa concentração, maior é o valor de ρ. A Figura 5 mostra as curvas de
resistividade elétrica em função da temperatura, ρ(T), obtidas no intervalo T < 50 K para as ligas AA3003 e
AA8106 nos estados bruto de fundição e após tratamento térmico de homogeneização (500oC por 12 h). A
partir dessas curvas, observou-se uma acentuada queda na resistividade elétrica nas amostras após
homogeneização. Este comportamento indica a diminuição do teor de manganês em solução sólida devido à
precipitação de partículas em conseqüência desse tratamento térmico.
A Tabela 3 mostra os valores de condutividade elétrica σ (σ = 1/ρ) obtidos em temperatura ambiente para as
amostras investigadas. No estado bruto de fundição encontrou-se que σ é cerca de 28 e 42 %IACS para as
amostras 3B e 8B, respectivamente. O mais alto valor de condutividade elétrica da amostra 8B é uma
conseqüência do seu mais alto valor de fração volumétrica de precipitados (vide Tabela 2). Ainda a partir
dessa tabela observou-se um aumento na condutividade elétrica após tratamento térmico de homogeneização
para ambas as ligas. Este é um comportamento esperado, o qual concorda com os resultados obtidos a partir
das curvas de ρ(T). Entretanto deve-se frisar que este aumento para a liga AA3003 foi de 70%, muito maior
1944
que o observado para a liga AA8106 (≈ 31%). Estes resultados, juntamente com os obtidos a partir da
caracterização microestrutural, indicam que o manganês presente na forma de uma solução sólida
supersaturada é o elemento que mais influencia a condutividade elétrica das ligas de alumínio durante a
homogeneização, em comparação com o ferro.
4.5
4.0
3B
3.0
a)
2.5
-6
ρ(10 Ω.cm)
3.5
2.0
1.5
3H
1.0
10
20
30
40
50
T(K)
1.6
8B
1.4
-6
ρ(10 Ω.cm)
1.2
1.0
b)
0.8
0.6
0.4
8H
0.2
10
20
30
40
50
T(K)
Figura 5: Curvas de resistividade elétrica em função da temperatura, ρ(T), para as amostras das ligas
(a) AA3003 e (b) AA8106 no estado bruto de fundição (B) e após homogeneização (H).
Tabela 3: Valores da condutividade elétrica para as amostras das ligas AA3003 e AA8106 nos estados bruto
de fundição e homogeneizado.
Amostra
Condutividade (%IACS)
Variação na condutividade
3B
28,2 + 0,2
+70,0%
3H
49,0 + 0,2
8B
41,7 + 0,3
+31,0%
8H
54,4 + 0,3
1945
4. CONCLUSÕES
Com base na caracterização microestrutural e nas medidas de propriedades elétricas das ligas AA3003
(1,2%Mn e 0,6% Fe) e AA8106 (0,4%Mn e 1,5%Fe), obtidas pelo processo “Twin Roll Caster” foram
obtidas as seguintes conclusões:
a) devido às elevadas taxas de resfriamento envolvidas no processo, existe uma variação na distribuição de
precipitados a partir da superfície em direção ao centro da chapa;
b) devido à menor solubilidade do ferro no alumínio, em comparação com o manganês, a liga AA8106
apresenta uma maior fração volumétrica de precipitados. O manganês, por ser mais solúvel no alumínio do
que o ferro, supersatura a matriz da liga AA3003. Em conseqüência disso, a liga AA3003 apresenta menor
condutividade elétrica;
c) após tratamento térmico de homogeneização, a liga AA3003 apresentou maior variação na fração
volumétrica de precipitados e também de condutividade elétrica. Estes resultados evidenciam a maior
influência do manganês, se comparado ao ferro, na condutividade elétrica das ligas de alumínio investigadas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Companhia Brasileira de Alumínio (CBA) por disponibilizar as amostras das ligas
de alumínio AA3003 e AA8106 investigadas neste trabalho.
REFERÊNCIAS
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Light Metals, (1995), p. 1165-1182.
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365-370.
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continua, laminadas em frio”; Revista de Metalurgia -Cenim, vol. 36 (2000), p. 435-451.
5. J. P. Martins, A. F. Padilha, “Caracterização da liga comercial de alumínio 3003 produzida por fundição
contínua de chapas (Twin roll caster) – microestrutura”; Revista Escola de Minas, vol.59 (2006), p.427431.
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1946