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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DO TEMPO NOS PROCESSOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO (T6) DE UMA NOVA LIGA

Al4,8%Cu RECICLADA

R. M. Vieira

E. M. Romagna

C. M. L. dos Santos

A. Itman

E. A. Vieira

[email protected]

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES

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.

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

166

mailto:[email protected]

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].

Figura 1. Microestruturas para liga A356 (a) Dendrítica (b) Globular [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 [4,5-8], conforme mostra a Tabela 1 e em

alguns casos as propriedades são muito próximas às dos produtos forjados [4].


167

Tabela 1: Propriedades mecânicas da liga A356-T6 obtidas por diferentes processos de conformação.

*L.E. (MPa) **L.R. (MPa) Alongamento (%)

“Squeeze casting” (9) 265 309 5

Molde permanente (4) 186 262 5

Fundição em areia (4,8) 150 180 3

SS (globular) (8) 257-280 318-344 6-13

*L.E.: Limite de escoamento **L.R.: Limite de resistência

O estudo e desenvolvimento de ligas para tixoconformação requer

pesquisas basicamente em três grandes áreas: evolução microestrutural,

reologia associadas às condições de fluxo e comportamento mecânico das

ligas tixoconformadas. Um grande número de autores tem feito estudos para

diversas ligas tais como ligas de alumínio A356, A357, 2024 ou simplesmente

ligas de Al4%Cu [9-13]. Muitas ligas de Mg também tem sido objeto de estudo

tais como AZ91, AM60 [14-16]. Estudos de ligas de alumínio com adição de

compósitos é outro campo [17,18]. Para a maioria destas situações, é possível

verificar a existência de trabalhos que abordam todas as três grandes áreas de

estudo. Contudo, até os dias atuais, as ligas de alumínio são as que

efetivamente conseguiram se consolidar, em especial no campo automotivo

[19, 20].

Por outro lado, é sabido que a fabricação de ligas tais como a A356 e a

2024 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 a onerosa opção de diluição

quando deseja-se reduzir sua concentração. E neste contexto, o Brasil é um

dos grandes 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


168

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.

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 deste trabalho foi realizar a fusão das latas de

alumínio. Cerca de 6kg de latas foram aquecidas a uma temperatura de 680ºC

em um forno tipo de indução da marca inductotherm-100kVA e a fusão foi feita

utilizando-se um cadinho de carberto de silício conforme é mostrado na Figura

2.

Figura 2. Forno de indução inductotherm-100kVA (a) e cadinho de carbeto de silício (b).

Para fazer a escorificação adicionou-se cerca de 15% em peso de uma

mistura equimolar de NaCl e KCl sobre a superfície do metal líquido. O fluxo

garantiu a remoção de óxidos gerando uma drosse com baixa retenção de

conteúdo metálico recuperando o alumínio. A drosse foi removida da superfície

e o alumínio foi vazado em uma coquilha improvisada de aço (Figura 3a). A

a) b)


169

Figura 3b mostra o aspecto macroscópico do lingote obtido e a Tabela 2

apresenta a composição química obtida após a fusão. Comparando a

composição química com o previsto teoricamente, temos que esta se aproxima

do esperado com diferenças mais significativas nos teores de Cu, Mg e Mn.

Figura 3. Coquilha de aço (a) e lingote de alumínio reciclado (b). 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.

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

3004 0,30 0,70 0,25 1,25 1,05 - 0,25 - 5182 0,20 0,35 0,15 0,35 4,5 0,10 0,25 0,10

Mistura calculada

0,28 0,61 0,23 1,03 1,91 0,03 0,25 0,03

Mistura Obtida

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 0,25 0,60 0,11 0,81 1,66 0,02 0,03 0,024

Nova liga Al4,8%Cu

0,216 0,568 4,8 0,783 1,32 0,015 0,036 0,045

A partir dos lingotes, programou-se uma nova fusão com o intuito de

elaborar uma nova liga contendo 4,8% de Cu. Nesta etapa os lingotes foram

novamente refundidos no cadinho de carbeto de silício, porém, a liga passou

primeiro por um processo de desgaseificação utilizando-se pastilhas de

hexacloretano (C2Cl6). Tal procedimento favoreceu a remoção de óxidos e o

gás H dissolvido no banho. Após este procedimento adicionou-se cobre

metálico visando uma concentração de 4,8%. Além disso, foi adicionado

também 0,5% em peso da massa total de Al5%Ti1%B com o objetivo de

favorecer o refino dos grãos formados. A liga foi então vazada em uma

coquilha de alumínio obtendo-se assim uma placa conforme mostra a Figura 4.

Na Tabela 2 é apresentada a composição química final da placa obtida. Todas

as análises químicas foram feitas em um espectrômetro de emissão ótica da

a) b)


170

marca OXFORD Mod. Foundry Master ProI, localizado no Laboratório de

Técnicas Instrumentais do Departamento de Engenharia Metalúrgica do

Instituto Federal do Espírito Santo - IFES.

Figura 4. Coquilha de alumínio utilizada para produção de placas (a) e placa obtida (b).

A placa obtida foi solubilizada a 525°C, durante 6 horas. Conforme já

explicado, o objetivo do presente trabalho foi encontrar tratamentos térmicos

que maximizem as propriedades mecânicas da nova liga Al4,8%Cu. Após a

etapa de solubilização, amostras foram submetidas a um processo de

envelhecimento artificial (tratamento T6) e natural. As temperaturas de

envelhecimento estudadas foram de 180, 260 e 3500C. Para acompanhar a

eficiência do tratamento de envelhecimento medidas de dureza Brinell foram

feitas para os tempos de 30, 60, 120, 180, 240, 300 e 360 minutos. Para a

amostra envelhecida naturalmente mediu-se a dureza durante 26 dias.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 5 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 Mg, Fe,

Si, Mg e Al em sua composição. Devido à composição da liga e comparando-se

os precipitados obtidos com os mostrados em outros trabalhos [21,22] para a

liga A356, as morfologias dos precipitados sugerem a presença dos do tipo: -

Al8Mg3FeSi6, -Al5FeSi, Al15(Mn,Fe)3Si2, Mg2Si entre outros. Uma análise mais

a) b)


171

acurada por microscopia eletrônica de varredura e micro análise por energia

dispersiva (EDS) pode ajudar na correta identificação dos precipitados.

Figura 5. Típicas microestruturas brutas de fusão para liga de lata de alumínio reciclada mostrando a presença de precipitados com morfologias diferentes.

A Figura 6(a,b) apresenta a nova liga de alumínio com adição de 4,8%

de Cu. 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 conforme mostra a Figura 6(c,d). 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 [23].

Tabela 3. Dureza da liga obtida da refusão de latas e da nova liga Al4Cu sob diferentes condições.

LIGA Dureza (HB)

Lata bruta de fusão 57 Al4,8Cu bruta de fusão 95 Al4,8Cu Solubilizada 111

Embora a Figura 6 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.

a) b) c)


172

Figura 6. Microestruturas brutas de fusão para liga de lata de alumínio reciclada com acréscimo de 4,8% de Cu (a,b) e após o tratamento térmico de solubilização a 5300C por 6h (c,d).

Figura 7. Curvas de envelhecimento para nova liga reciclada com 4,8% de Cu (a)

natural (b) artificial T6.

A dureza da amostra relativa ao envelhecimento natural foi monitorada por 26

dias. A Figura 7a 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 7b, em todas as combinações de tempo e

a) b)

d) c)

a) b)


173

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 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, acredita-se que estes se

aumentados podem conduzir a uma maior quantidade de átomos em solução, logo

maiores incrementos de dureza durante a etapa de envelhecimento artificial. Outro

aspecto é o tempo e as temperaturas de envelhecimento utilizadas. Ambos podem ser

reduzidos objetivando melhorar as curvas de evolução da dureza desfavorecendo-se o

superenvelhecimento. Assim, conclui-se que uma investigação sob temperaturas e

tempos de envelhecimento menores sejam necessárias para otimizar o processo e

com isso atingir a máxima resistência mecânica para a nova liga proposta.

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 a 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.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Deus, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico–CNPq, à Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de nível superior

– CAPES – Edital N0.11/2009 - PRÓ-EQUIPAMENTOS INSTITUCIONAL, à Fundação

de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo – FAPES – Termo de outorga 035/2009 e ao


174

Programa institucional de iniciação em desenvolvimento tecnológico e inovação –

PIBITI – IFES – Vitória – ES.

6. REFERÊNCIAS

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INFLUENCE OF TEMPERATURE AND TIME IN THE PROCESS OF SOLUBILIZATION AND AGING (T6) A NEW ALLOY Al4,8%Cu RECYCLED

R. M. Vieira

E. M. Romagna

C. M. L. dos Santos

E. A. Vieira

[email protected]

Federal Institute of Education, Science and Technology of Espírito Santo - IFES

ABSTRACT

Aluminum alloys for thixoforming processes are usually submitted to

solubilization heat treatment followed by artificial aging, i.e., T6. That is the main

advantage of this process with respect to conventional casting. In this work the

objective was to investigate the operating parameters to maximize the

mechanical properties of a new aluminum alloy containing 4.8% Cu. The alloy

was developed from a mixture of commercial alloys 3004 and 5182 from the

process of recycling aluminum cans. After the step of melting and solidification

in a permanent metallic mold, the samples were solubilized at 525°C for 6 hours

and quenched in water. Heat treatments of natural and artificial aging were

performed with monitoring of hardness. It was too recorded the microstructural

evolution of the samples. Solubilized samples were artificially aged at 180, 260

and 350° C for intervals of time ranging from 30 minutes to 6 hours. The results

show a significant increase in hardness of the natural aged samples. Those

combination of temperatures and times used in artificial aging heat treatments

lead the samples to the overaging condition with a decrease in the hardness

measurement.

key words: aluminum, thixoforming, aluminum cans, DTA, T6.

...


177

mailto:[email protected]

influÊncia da temperatura e do tempo nos processos de ... · um grande número de autores tem...

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