influência da temperatura e do tempo nos - PROPEMM

II WORKSHOP DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS DO
PROPEMM – IFES, VITÓRIA-ES, 30-31 AGOSTO DE 2012
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DO TEMPO NOS
PROCESSOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO (T6) DE
UMA NOVA LIGA AL4,8%CU RECICLADA
¹Ronan Miller Vieira*, ¹Eric Moraes Romagna, ¹Christian Mariani Lucas dos Santos, ¹Estéfano
Aparecido Vieira, ¹Andre Itman Filho
¹PROPPEM – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Instituto
Federal de Ciências, Educação e Tecnologia do Espírito Santo – IFES, Vitoria, Espírito Santo
*[email protected]
RESUMO
Ligas de alumínio destinadas aos processos de tixoconformação, geralmente são submetidas ao
tratamento térmico de solubilização seguido por envelhecimento artificial, ou seja, T6. Trata-se de uma das
principais vantagens deste processo em relação à fundição convencional. Neste trabalho o objetivo foi investigar
os parâmetros operacionais para maximizar as propriedades mecânicas de uma nova liga de Al contendo 4,8%
de Cu. A liga foi desenvolvida a partir da mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas do processo de reciclagem de
latas de alumínio. Depois da etapa de fusão e solidificação em molde permanente metálico, amostras foram
solubilizadas a 5250C por 6h e resfriadas bruscamente em água. Tratamentos de envelhecimento natural e
artificial foram feitos com acompanhamento da dureza. Fez-se também o registro da evolução microestrutural
das amostras. O envelhecimento artificial foi feito nas temperaturas de 180, 260 e 350°C, em intervalos de
tempo variando de 30 minutos a 6 horas. Os resultados obtidos mostram que há um aumento significativo na
dureza das amostras envelhecidas naturalmente, e que a associação de temperaturas e tempos utilizados nos
tratamentos de envelhecimento artificial levou a uma condição de superenvelhecimento, com queda na medida
de dureza.
Palavras chaves: alumínio, tixoconformação, latas, ATD, T6.
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MATERIAIS DO PROPEMM – IFES, VITÓRIA-ES, 30-31 AGOSTO DE 2012
1. INTRODUÇÃO
O interesse nas propriedades mecânicas
e reológicas de ligas no estado semi-sólido
(ESS) teve início na década de 70 através dos
estudos realizados por Spencer, Mehrabian e
Flemings [1]. Naquele trabalho estudava-se o
comportamento reológico de ligas Sn-15Pb
durante a solidificação. Assim foi criado um
modelo para avaliar a viscosidade das ligas
parcialmente solidificadas [ 2 ]. A partir dos
resultados obtidos percebeu-se que a
conformação de peças no estado semi-sólido
com microestrutura globular poderia trazer
redução dos esforços mecânicos de
conformação necessários, quando comparado
com uma microestrutura dendrítica. A Figura
1 apresenta os exemplos típicos de
microestrutura dendrítica e globular para uma
liga de alumínio A356 obtidas em um trabalho
recente desenvolvido na Universidade de
Ciência e Tecnologia de Beijing, China [3].
Atualmente para os processos de
conformação de ligas no ESS dá-se o nome de
tixoconformação [4]. A liga que mais tem sido
utilizada para este fim são as do tipo Al-Si.
Em especial há de se destacar as ligas A356 e
A357. No caso, destas ligas, a conformação
no ESS, além de trazer benefícios durante o
processo traz também melhores propriedades
mecânicas finais, inclusive maior resistência a
fadiga, o que acabou por consolidar a
aplicação destas na indústria automobilística.
Alguns trabalhos demonstram que produtos
tixoconformados
exibem
propriedades
mecânicas superiores aos produtos fundidos
ou injetados sob pressão [4-8], conforme mostra
a Tabela 1 em alguns casos as propriedades
são muito próximas às dos produtos forjados
[4]
.
Figura 1. Microestruturas para liga A356 (a) Dendrítica (b) Globular [3].
Tabela 1: Propriedades mecânicas da liga A356-T6 obtidas por diferentes processos de
conformação.
“Squeeze casting” (9)
Molde permanente (4)
Fundição em areia (4,8)
SS (globular) (8)
*L.E.: Limite de escoamento
*L.E. (MPa)
**L.R. (MPa)
265
309
186
262
150
180
257-280
318-344
**L.R.: Limite de resistência
O estudo e desenvolvimento de ligas
para tixoconformação requer pesquisas
basicamente em três grandes áreas: evolução
microestrutural, reologia associada às
condições de fluxo e comportamento
mecânico das ligas tixoconformadas.
Por outro lado, é sabido que a
fabricação de ligas tais como a A356 e a 2024
Alongamento (%)
5
5
3
6-13
são oriundas de matérias primas com elevada
pureza, logo, de custo elevado. Tal fato é
justificado em especial pelo controle do teor
de Fe, elemento muito prejudicial às ligas de
alumínio que não pode ser removido por
meios economicamente viáveis restando
apenas à onerosa opção de diluição quando
deseja-se reduzir sua concentração. E neste
contexto, o Brasil é um dos grandes
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consumidores de latas de alumínio para
acondicionamento de bebidas. As ligas das
latas de alumínio basicamente compõem-se de
uma mistura da liga 3004, 5182 mais
contaminantes. Seu ciclo através da
reutilização para fabricação de novas latas é
interessante, mas, por outro lado, é limitado.
As latas de alumínio possuem uma
composição química peculiar a qual não é
possível adaptar nenhuma outra liga. Se esta
matéria prima pudesse ter aplicações mais
nobres, como na indústria automobilística,
talvez seja possível ampliar o uso e agregar
valor. Este trabalho é parte de um projeto que
objetiva
fundir,
conformar,
tratar
termicamente e desenvolver uma rota de
fabricação de uma nova liga para
processamento no ESS. Uma nova liga
contendo 4,8% de Cu foi elaborada a partir da
mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas do
processo de reciclagem de latas de alumínio.
Estudaram-se
possíveis
rotas
para
maximização das propriedades mecânicas.
Figura 2d. A Figura 2 mostra também outros
detalhes para esta etapa.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O objetivo do trabalho foi encontrar
tratamentos térmicos que maximizassem as
propriedades mecânicas da nova liga
Al4,8%Cu. Assim, uma placa foi fundida a
partir da fusão de latas de alumínio
acrescentando-se 4,8% de Cu. A primeira
etapa foi realizar a fusão das latas de
alumínio. Cerca de 6 kg de latas foram
aquecidas dentro de um cadinho de carbeto de
silício, a uma temperatura de 680ºC em um
forno de indução da marca inductotherm100kVA. Para melhorar a recuperação do
alumínio metálico da drosse formada
adicionou-se cerca de 15% em peso de uma
mistura equimolar de NaCl e KCl sobre a
superfície do metal líquido, o aluminio foi
vazado em coquilhas de aço gerando assim
lingotes de alumínio conforme é mostrado na
Figura 2. Cadinho de carbeto de silício (a),
coquilha de aço (b), forno de indução
inductotherm-100kVA(c), lingote de alumínio
reciclado (d), placa obtida (e) e coquilha de
alumínio utilizada para produção de placas (f).
Tabela 2: Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média
obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu.
Mistura obtida
Nova liga
Al4,8%Cu
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
0,25
0,60
0,11
0,81
1,66
0,02
0,03
0,024
0,216
0,568
4,8
0,783
1,32
0,015
0,036
0,045
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A partir dos lingotes, programou-se
uma nova fusão com o objetivo de elaborar
uma nova liga contendo 4,8% de Cu. Após a
refusão, a liga foi desgaseificada com
pastilhas de hexacloretano (C2Cl6). Tal
procedimento favoreceu a remoção de óxidos
e o gás H dissolvido no banho. Após este
procedimento adicionou-se o cobre metálico.
Além disso, foi adicionado também 0,5% em
peso da massa total de Al5%Ti1%B (tiboral)
com objetivo de favorecer o refino dos grãos
formados. A liga foi então vazada em uma
coquilha de aluminio obtendo-se assim uma
placa. A composição química final está na
Tabela 2.
A placa obtida foi solubilizada a
525ºC, durante 6 horas, conforme já
explicado, o objetivo é encontrar o melhor
tratamento térmico que maximize as
propriedades mecânicas da nova liga
Al4,8%Cu. Após a etapa de solubilização,
amostras foram submetidas a um processo de
envelhecimento artificial (T6) e natural. As
temperaturas de envelhecimento estudadas
foram
de
180,
260,
350ºC.
O
acompanhamento da eficiência do tratamento
térmico foi feito através de medições de
dureza Brinell para os tempos de 30, 60, 120,
180, 240, 300 e 360 minutos. Para a amostra
envelhecida naturalmente mediu-se a dureza
no decorrer de 26 dias.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 3 mostra as típicas
microestruturas obtidas para o lingote fundido
a partir das latas recicladas. Baseando-se na
morfologia e distribuição dos mesmos por
toda microestrutura percebe-se a presença
predominante de pelo menos três tipos de
precipitados, estes provavelmente possuem
Fe, Si, Mg e Al em sua composição. Uma
análise mais acurada por microscopia
eletrônica de varredura e micro análise por
energia dispersiva (EDS) pode ajudar na
correta identificação dos precipitados.
Figura 3. Típicas microestruturas brutas de fusão para liga de lata de alumínio reciclada
mostrando a presença de precipitados com morfologias diferentes.
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A Figura 4 apresenta a nova liga de
alumínio com adição de 4,8% de Cu.
Comparando-se com as Figuras 3(b,c), as
micrografias sugerem que houve um aumento
significativo da fração volumétrica de
precipitados,
estes
por
sua
vez
preferencialmente presentes nos contornos de
grão. Devido ao aumento da concentração de
Cu espera-se a formação dos precipitados do
tipo Al2Cu. Após a etapa de solubilização,
podemos observar que houve um aumento no
tamanho de grão com uma redução discreta
dos precipitados.
Dois aspectos podem
explicar
este
resultado:
o
primeiro
corresponde à saturação do Al primário que
não aceita a excessiva presença de átomos em
solução, o segundo é a presença de
precipitados insolúveis, provavelmente com a
presença de Fe em sua composição. Estes
tipos de precipitados permanecem na liga
mesmo após o tratamento de solubilização,
geralmente possuem morfologia acicular e por
isso trazem efeitos negativos para as
propriedades mecânicas [5].
Embora a Figura 4 não evidencie
claramente a solubilização de precipitados no
tratamento térmico de solubilização, porém, a
dureza elevou-se em 17% quando comparada
com a liga bruta de fusão, como mostra a
Tabela 3. Isto mostra que o tratamento foi
eficaz, mas, pode ser melhorado. Para isto,
pode-se aumentar o tempo e a temperatura de
solubilização.
Tabela 3. Dureza da liga obtida da refusão de latas e da nova liga Al4Cu sob diferentes
condições.
LIGA
Lata bruta de fusão
Al4,8Cu bruta de fusão
Al4,8Cu Solubilizada
DUREZA (HB)
57
95
111
Figura 4. Microestrutura bruta de fusão para liga de lata de alumínio reciclada com acréscimo
de 4,8% de Cu (a) e após o tratamento térmico de solubilização a 5300C por 6h (b).
Figura 5. Curvas de envelhecimento para nova liga reciclada com 4,8% de Cu (a) natural (b)
artificial T6.
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A dureza da amostra relativa ao
envelhecimento natural foi monitorada por 26
dias. A Figura 5a mostra que a dureza máxima
ocorre 18 dias após o tratamento de
solubilização, seguindo uma tendência
constante nos dias seguintes. Nas amostras do
segundo grupo, conforme mostra a Figura 5b,
em todas as combinações de tempo e
temperatura de envelhecimento artificial
levaram a uma diminuição da dureza. Isto
ocorreu
provavelmente
devido
ao
superenvelhecimento das amostras e a
formação de precipitados incoerentes. De um
modo geral verifica-se que o aumento da
temperatura e do tempo favoreceu o
decréscimo da dureza. Conclui-se que vários
fatores em conjunto colaboraram para este
resultado. O primeiro seria relativo a
temperatura e o tempo utilizados para
promover a solubilização da liga. Outro
aspecto é o tempo e as temperaturas de
envelhecimento utilizadas. Ambos podem ser
reduzidos objetivando melhorar as curvas de
evolução da dureza.
4. CONCLUSÕES
Para uma liga Al4,8%Cu, o tratamento de
solubilização a 525°C durante 6 horas
aumenta dureza significativamente sob
envelhecimento natural com pico de dureza
em 18 dias.
Para as condições estudadas, as
temperaturas de envelhecimento superiores a
180°C, aliadas há tempos maiores que 30min
causam superenvelhecimento reduzindo a
dureza da liga solubilizada.
A estrutura da nova liga reciclada a partir
de latas de alumínio com 4,8% de Cu mostra a
presença de precipitados de diferentes
naturezas, estes por sua vez não se
dissolveram com facilidade nas condições
estudas o que pode ter colaborado para o
baixo efeito do tratamento térmico T6.
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