marcus venicius tavares machado - ufsj | … · agradecer ao prof.dr. haroldo cavalcanti pinto e o...
TRANSCRIPT
62
MARCUS VENICIUS TAVARES MACHADO
EFEITO DA ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS NA LIGA ZK60 FUNDIDA
NO ESTADO SEMI-SOacuteLIDO POR MEIO
TRATAMENTO TEacuteRMICO T6
SAtildeO JOAtildeO DEL-REI 26 de marccedilo de 2015
UFSJ ndash UNIVERSIDADE FEDERAL DE SAtildeO JOAtildeO DEL-REI
PROGRAMA DE POacuteS-GRADUACcedilAtildeO EM ENGENHARIA
MECAcircNICA
Marcus Venicius Tavares Machado
EFEITO DA ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS NA LIGA ZK60 FUNDIDA
NO ESTADO SEMI-SOacuteLIDO POR MEIO
TRATAMENTO TEacuteRMICO T6
Dissertaccedilatildeo apresentada ao Curso de
Mestrado da Universidade Federal de Satildeo
Joatildeo Del-Rei como requisito para a obtenccedilatildeo
do titulo de Mestre em Engenharia Mecacircnica
Aacuterea de Concentraccedilatildeo Materiais e Processos
de Fabricaccedilatildeo
Orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz
SAtildeO JOAtildeO DEL-REI 26 de marccedilo de 2015
DEDICATOacuteRIA
Dedico este trabalho a minha
querida esposa que sempre esteve
presente em todos os momentos
me apoiando e incentivando
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer de forma especial a Deus pela minha existecircncia e a
todas as pessoas que direta e indiretamente participaram em mais esta conquista de
minha vida
Desejo agradecer ao meu professor e orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz pela valiosa ajuda durante esta jornada Natildeo posso deixar tambeacutem de
agradecer ao ProfDr Haroldo Cavalcanti Pinto e o doutorando Erenilton Pereira da
Silva ambos da USP-EESC pela grande ajuda nesta e outras etapas Um obrigado a
todos os professores que me acompanharam nesta jornada
Um agradecimento muito especial a empresa RIMA pelos lingotes cedidos
para a realizaccedilatildeo deste trabalho
A CAPES pelo apoio financeiro
A UFSJ pela infraestrutura
O meu muito obrigado eacute direcionado ao Sr Francisco e ao Sr Emilio pela
ajuda e simpatia prestada durante as longas jornadas desprendidas nos laboratoacuterios
natildeo podendo esquecer os bolsista do Grupo Pet Henrique Victor Marina Ana
Pedro Francis Lucas Stephanie e outros que de forma direta sempre estiveram
presentes neste trabalho
Natildeo posso esquecer o meu grande agradecimento para minha famiacutelia
principalmente a minha esposa Maacutercia que sempre apoiou e acreditou em meu
sucesso
Agradeccedilo tambeacutem a todos os meus colegas de curso principalmente Rogeacuterio
e Sandro que sempre me apoiaram nas horas difiacuteceis
A todos que contribuiacuteram neste trabalho o meu sincero reconhecimento
Muito obrigado
EPIacuteGRAFE
ldquoJamais considere seus estudos
como uma obrigaccedilatildeo mas como
uma oportunidade invejaacutevel para
aprender a conhecer a influecircncia
libertadora da beleza do reino do
espiacuterito para seu proacuteprio prazer
pessoal e para proveito da
comunidade agrave qual seu futuro
trabalho pertencerrdquo
Albert Einstein (1879-1955)
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
Marcus Venicius Tavares Machado
EFEITO DA ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS NA LIGA ZK60 FUNDIDA
NO ESTADO SEMI-SOacuteLIDO POR MEIO
TRATAMENTO TEacuteRMICO T6
Dissertaccedilatildeo apresentada ao Curso de
Mestrado da Universidade Federal de Satildeo
Joatildeo Del-Rei como requisito para a obtenccedilatildeo
do titulo de Mestre em Engenharia Mecacircnica
Aacuterea de Concentraccedilatildeo Materiais e Processos
de Fabricaccedilatildeo
Orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz
SAtildeO JOAtildeO DEL-REI 26 de marccedilo de 2015
DEDICATOacuteRIA
Dedico este trabalho a minha
querida esposa que sempre esteve
presente em todos os momentos
me apoiando e incentivando
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer de forma especial a Deus pela minha existecircncia e a
todas as pessoas que direta e indiretamente participaram em mais esta conquista de
minha vida
Desejo agradecer ao meu professor e orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz pela valiosa ajuda durante esta jornada Natildeo posso deixar tambeacutem de
agradecer ao ProfDr Haroldo Cavalcanti Pinto e o doutorando Erenilton Pereira da
Silva ambos da USP-EESC pela grande ajuda nesta e outras etapas Um obrigado a
todos os professores que me acompanharam nesta jornada
Um agradecimento muito especial a empresa RIMA pelos lingotes cedidos
para a realizaccedilatildeo deste trabalho
A CAPES pelo apoio financeiro
A UFSJ pela infraestrutura
O meu muito obrigado eacute direcionado ao Sr Francisco e ao Sr Emilio pela
ajuda e simpatia prestada durante as longas jornadas desprendidas nos laboratoacuterios
natildeo podendo esquecer os bolsista do Grupo Pet Henrique Victor Marina Ana
Pedro Francis Lucas Stephanie e outros que de forma direta sempre estiveram
presentes neste trabalho
Natildeo posso esquecer o meu grande agradecimento para minha famiacutelia
principalmente a minha esposa Maacutercia que sempre apoiou e acreditou em meu
sucesso
Agradeccedilo tambeacutem a todos os meus colegas de curso principalmente Rogeacuterio
e Sandro que sempre me apoiaram nas horas difiacuteceis
A todos que contribuiacuteram neste trabalho o meu sincero reconhecimento
Muito obrigado
EPIacuteGRAFE
ldquoJamais considere seus estudos
como uma obrigaccedilatildeo mas como
uma oportunidade invejaacutevel para
aprender a conhecer a influecircncia
libertadora da beleza do reino do
espiacuterito para seu proacuteprio prazer
pessoal e para proveito da
comunidade agrave qual seu futuro
trabalho pertencerrdquo
Albert Einstein (1879-1955)
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
DEDICATOacuteRIA
Dedico este trabalho a minha
querida esposa que sempre esteve
presente em todos os momentos
me apoiando e incentivando
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer de forma especial a Deus pela minha existecircncia e a
todas as pessoas que direta e indiretamente participaram em mais esta conquista de
minha vida
Desejo agradecer ao meu professor e orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz pela valiosa ajuda durante esta jornada Natildeo posso deixar tambeacutem de
agradecer ao ProfDr Haroldo Cavalcanti Pinto e o doutorando Erenilton Pereira da
Silva ambos da USP-EESC pela grande ajuda nesta e outras etapas Um obrigado a
todos os professores que me acompanharam nesta jornada
Um agradecimento muito especial a empresa RIMA pelos lingotes cedidos
para a realizaccedilatildeo deste trabalho
A CAPES pelo apoio financeiro
A UFSJ pela infraestrutura
O meu muito obrigado eacute direcionado ao Sr Francisco e ao Sr Emilio pela
ajuda e simpatia prestada durante as longas jornadas desprendidas nos laboratoacuterios
natildeo podendo esquecer os bolsista do Grupo Pet Henrique Victor Marina Ana
Pedro Francis Lucas Stephanie e outros que de forma direta sempre estiveram
presentes neste trabalho
Natildeo posso esquecer o meu grande agradecimento para minha famiacutelia
principalmente a minha esposa Maacutercia que sempre apoiou e acreditou em meu
sucesso
Agradeccedilo tambeacutem a todos os meus colegas de curso principalmente Rogeacuterio
e Sandro que sempre me apoiaram nas horas difiacuteceis
A todos que contribuiacuteram neste trabalho o meu sincero reconhecimento
Muito obrigado
EPIacuteGRAFE
ldquoJamais considere seus estudos
como uma obrigaccedilatildeo mas como
uma oportunidade invejaacutevel para
aprender a conhecer a influecircncia
libertadora da beleza do reino do
espiacuterito para seu proacuteprio prazer
pessoal e para proveito da
comunidade agrave qual seu futuro
trabalho pertencerrdquo
Albert Einstein (1879-1955)
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer de forma especial a Deus pela minha existecircncia e a
todas as pessoas que direta e indiretamente participaram em mais esta conquista de
minha vida
Desejo agradecer ao meu professor e orientador ProfDr Antocircnio Luiz Ribeiro
Sabariz pela valiosa ajuda durante esta jornada Natildeo posso deixar tambeacutem de
agradecer ao ProfDr Haroldo Cavalcanti Pinto e o doutorando Erenilton Pereira da
Silva ambos da USP-EESC pela grande ajuda nesta e outras etapas Um obrigado a
todos os professores que me acompanharam nesta jornada
Um agradecimento muito especial a empresa RIMA pelos lingotes cedidos
para a realizaccedilatildeo deste trabalho
A CAPES pelo apoio financeiro
A UFSJ pela infraestrutura
O meu muito obrigado eacute direcionado ao Sr Francisco e ao Sr Emilio pela
ajuda e simpatia prestada durante as longas jornadas desprendidas nos laboratoacuterios
natildeo podendo esquecer os bolsista do Grupo Pet Henrique Victor Marina Ana
Pedro Francis Lucas Stephanie e outros que de forma direta sempre estiveram
presentes neste trabalho
Natildeo posso esquecer o meu grande agradecimento para minha famiacutelia
principalmente a minha esposa Maacutercia que sempre apoiou e acreditou em meu
sucesso
Agradeccedilo tambeacutem a todos os meus colegas de curso principalmente Rogeacuterio
e Sandro que sempre me apoiaram nas horas difiacuteceis
A todos que contribuiacuteram neste trabalho o meu sincero reconhecimento
Muito obrigado
EPIacuteGRAFE
ldquoJamais considere seus estudos
como uma obrigaccedilatildeo mas como
uma oportunidade invejaacutevel para
aprender a conhecer a influecircncia
libertadora da beleza do reino do
espiacuterito para seu proacuteprio prazer
pessoal e para proveito da
comunidade agrave qual seu futuro
trabalho pertencerrdquo
Albert Einstein (1879-1955)
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
EPIacuteGRAFE
ldquoJamais considere seus estudos
como uma obrigaccedilatildeo mas como
uma oportunidade invejaacutevel para
aprender a conhecer a influecircncia
libertadora da beleza do reino do
espiacuterito para seu proacuteprio prazer
pessoal e para proveito da
comunidade agrave qual seu futuro
trabalho pertencerrdquo
Albert Einstein (1879-1955)
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
RESUMO
O magneacutesio e suas ligas tem adquirido importacircncia cada vez mais
significativa como material estrutural de peso leve despertando um interesse pela
induacutestria uma vez que oferece a melhor relaccedilatildeo pesoresistecircncia entre os metais Os
campos mais conhecidos de sua aplicaccedilatildeo consistem na construccedilatildeo de veiacuteculos na
induacutestria aeronaacuteutica manipulaccedilatildeo industrial (automatizaccedilatildeo) e tecnologia de
comunicaccedilatildeo Em particular a induacutestria automobiliacutestica tem crescentemente
ampliado a utilizaccedilatildeo de ligas de magneacutesio na produccedilatildeo de peccedilas que vatildeo desde
caixas de cacircmbio ateacute aros de rodas As principais razotildees para este desenvolvimento
satildeo mudanccedilas na legislaccedilatildeo ambiental agraves exigecircncias de cliente e objetivos
corporativos que requerem veiacuteculos mais leves diminuindo o consumo de
combustiacutevel O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de
magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de mischmetal 15 em peso e sem adiccedilatildeo analisando
e comparando a influecircncia do tratamento teacutermico T6 composto de solubilizaccedilatildeo
seguido de envelhecimento artificial com relaccedilatildeo agrave propriedade mecacircnica de micro
dureza Vickers Dessa forma a liga estudada foi fundida por tixofundiccedilatildeo com
resfriamento controlado em aacutegua a temperatura ambiente Nos corpos de prova
extraiacutedos dos lingotes foram submetidos ao tratamento teacutermico T6 anaacutelise estrutural
de microestrutura e caracterizaccedilatildeo mecacircnica atraveacutes do ensaio de micro dureza
Vickers Neste trabalho estudou-se o uso da fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido para a obtenccedilatildeo da liga de Mg ZK60 modificada com a adiccedilatildeo de
15 em peso de MISCHMETAL O resultado da fundiccedilatildeo demonstra que o
processo permite obter tarugos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupe defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura da liga como fundida consiste
de uma matriz de gratildeos globulares de forma heterogecircnea com α-Mg reforccedilada por
distintos precipitados dos tipos Mg-Zn Mg-Zn-RE e Mg-RE nos contornos de gratildeo
Verificou-se a propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers comparando os
resultados das ligas como fundida com as tratadas termicamente por T6 com e
sem adiccedilotildees de Terras Raras RE apresentando assim aumento na dureza apoacutes
tratamento teacutermico RE (Rare Earth)
Palavras-chave Magneacutesio Terras Raras Fundiccedilatildeo Semi-soacutelidosT6
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
ABSTRACT
Magnesium and its alloys has gained importance increasingly significant as
light weight structural material awakening an interest in industry as it offers the best
weightresistance between metals The most popular fields of application are the
construction of vehicles in the aircraft industry industrial engineering (automation)
and communication technology In particular the auto industry has increasingly
expanded the use of magnesium alloys in the production of pieces ranging from gear
boxes to wheel rims The main reasons for this development are changes in
environmental legislation to customer requirements and business objectives that
require lighter vehicles decreasing fuel consumption This work aims to realize a ZK-
60 magnesium alloy study with addition of mischmetal 15 by weight and no added
by analyzing and comparing the influence of the heat treatment T6 compound
solubilization followed by artificial aging with respect the mechanical properties of
micro Vickers hardness The studied alloy was tixocasted with controlled cooling with
water at room temperature The specimens extracted from the ingot were subjected
to heat treatment T6 structural analysis of microstructure and mechanical
characterization by means of the micro Vickers hardness test In this work the use of
mechanical stirring casting was studied in a semi-solid state to obtain Mg ZK60 alloy
modified with the addition of 15 by weight mischmetal The results demonstrate
that this casting process engender ingots with homogeneous chemical composition
free of pipes blowholes and internal oxidation The microstructure of the alloy as cast
consists of a globular grain matrix heterogeneously with α-Mg reinforced by
precipitates of different Mg-Zn Mg-Zn-Mg-RE and Mg-RE types at grain
boundaries Furthermore the mechanical properties of micro Vickers hardness by
comparing the results of the alloys as cast with heat treated by T6 with and without
addition of rare earth an increase in hardness after heat treatment RE (Rare
Earth)
Keywords Magnesium Rare Earth casting semi-solid T6
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 17
11 Objetivos 18
12 Justificativa 19
2 REVISAtildeO DE LITERATURA 20
21 O magneacutesio 20
22 Demanda por magneacutesio 20
23 Ocorrecircncias Naturais 24
24 Processos de obtenccedilatildeo 25
25 Principais caracteriacutesticas 27
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio 28
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio 29
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas 30
28 Influecircncia da Corrosatildeo 31
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio 31
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio 35
211 Ligas de magneacutesio 35
2111 Principais elementos de liga 35
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio 38
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio 41
2121 Tixofundiccedilatildeo 42
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio 45
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers 47
214 Tratamentos teacutermicos 48
2141 Solubilizaccedilatildeo 49
2142 Tecircmpera 50
2143 Envelhecimento 51
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE 52
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) 53
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
2152 Microestrutura 54
3 MATERIAIS E METOacuteDOS 57
31 Materiais 57
32 Tratamentos teacutermicos 60
33 Microestrutura 62
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica 62
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura 64
333 Ensaio mecacircnico 64
34 Tratamento estatiacutestico 65
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES 66
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo 66
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos 67
43 Microestruturas como fundida 67
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 68
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida 70
44 Tratamento teacutermico T6 73
45 Propriedades mecacircnicas 74
5 CONCLUSAtildeO 80
6 TRABALHOS FUTUROS 81
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008 21
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) ano 2008 21
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008 22
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro 23
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008 23
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China 27
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro 28
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas 30
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003) 32
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado (BROOKS 1982 e
DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003) 37
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990) 39
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990) 39
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990) 40
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009) 41
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento 62
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal 67
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal 67
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos 76
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008 22
Figura 3 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando
(Volkswagen AG) (KU Kainer 2003) 33
Figura 4 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg 34
Figura 5 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e 34
Figura 6 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook 34
Figura 7 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado 35
Figura 8 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003) 42
Figura 9 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl
para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003) 43
Figura 10 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al 45
Figura 11 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012) 47
Figura 12 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers 48
Figura 13 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012) 49
Figura 14 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill) 52
Figura 15 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de 54
Figura 16 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012) 55
Figura 17 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados 56
Figura 18 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades 57
Figura 19 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe 58
Figura 20 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos 58
Figura 21 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006) 59
Figura 22 - Forno resistivo 60
Figura 23 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura 60
Figura 24- Forno de tratamento teacutermico 61
Figura 25 - Embutimento 63
Figura 26 ndash Lixamento Figura 27 - Polimento 63
Figura 28 - Limpeza Ultrassocircnica 63
Figura 29 - Medidor de micro dureza Vickers 64
Figura 30 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos 68
Figura 31 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV 69
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro 69
Figura 33 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 70
Figura 34 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos 71
Figura 35 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV 72
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da 72
Figura 37 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica 73
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas 74
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas 75
Figura 40 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas 75
Figura 41 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab 78
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
LISTA DE ABREVEATURAS E SIMBOLOS
A Aacuterea da piracircmide de base quadrada [mm2]
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia
ASM American Society for Materials
ASTM American Society for Testing and Materials
AZ31 Liga de magneacutesio com 3 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ61 Liga de magneacutesio com 6 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
AZ80 Liga de magneacutesio com 8 de Alumiacutenio e 043 maacuteximo de Zinco
AZ91 Liga de magneacutesio com 9 de Alumiacutenio e 1 de Zinco
BSE Eleacutetrons retroespalhados
d Valor meacutedio das diagonais [mm]
DSC Calorimetria diferencial exploratoacuteria
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva de raio-x
EESC Escola de Engenharia de Satildeo Carlos
F Forccedila [Kgf]
HCP Hexagonal Compacta
HV Micro dureza Vickers
IF Instituto Federal
MET Microscoacutepio Eletrocircnico de Transmissatildeo
MEV Microscoacutepio Eletrocircnico de Varredura
MG Minas Gerais
MM Mischmetal composto de Terras Raras (Lantacircnio Ceacuterio Neodiacutemio e Praseodiacutemio)
MO Microscoacutepio Oacutetico
RE Rare Earth Terras Raras
T1 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 400ordmC
T2 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 350ordmC
T3 Temperatura de solubilizaccedilatildeo a 250ordmC
T4 Temperatura de envelhecimento a 150ordmC
T5 Temperatura de envelhecimento a 200ordmC
T6 Temperatura de envelhecimento a 250ordmC
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
USP Universidade Estadual de Satildeo Paulo
WE43 Liga de magneacutesio com 4 de Iacutetrio e 3 de Terras Raras
WE54 Liga de magneacutesio com 5 de Iacutetrio e 4 de Terras Raras
ZK30 Liga de magneacutesio com 3 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
ZK60 Liga de magneacutesio com 6 de Zinco e 043 maacuteximo de Zircocircnio
σc Limite de Resistecircncia a Compressatildeo [MPa]
σe Limite de Escoamento [MPa]
σu Limite de Resistecircncia a Traccedilatildeo [MPa]
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
17
1 INTRODUCcedilAtildeO
As ligas de magneacutesio podem ser consideradas como materiais metaacutelicos do
futuro o consumo de peccedilas fundidas neste material tem aumentado 25 por ano e
esta taxa de crescimento tende a se manter constante pois as induacutestrias de
automoacutevel computadores ferramentas e eletrocircnicos estatildeo aproveitando as
propriedades vantajosas do magneacutesio tais como elevada relaccedilatildeo de resistecircncia e
baixo peso boas propriedades de amortecimento resistecircncia contra deformaccedilatildeo e
boa blindagem eletromagneacutetica
Como se tem focado na uacuteltima deacutecada a economia de recursos energeacuteticos
as grandes empresas objetivam alcanccedilar entre outras soluccedilotildees a reduccedilatildeo dos pesos
dos componentes mecacircnicos o que se permite uma economia de combustiacutevel
aumento no desempenho das maacutequinas e reduccedilatildeo de emissatildeo de poluentes
Cada vez mais as ligas ferrosas estatildeo sendo substituiacutedas por novos materiais
tais como a liga de magneacutesio compostos polimeacutericos fibras compoacutesitas e ligas natildeo
ferrosas de baixa densidade Dentre os metais chamados de Liga Leve os mais
presentes satildeo as ligas de Alumiacutenio ligas de Titacircnio e mais recentemente as ligas de
Magneacutesio
A demanda pelo potencial de produccedilatildeo do magneacutesio natildeo eacute preocupante jaacute
que eacute o oitavo elemento mais comum do mundo e o sexto entre os metais
representando aproximadamente 2 da superfiacutecie da terra O elemento magneacutesio
pode ser obtido por eletroacutelise do cloreto de magneacutesio fundido o qual eacute obtido da
aacutegua de poccedilos salinos ou do mar e tambeacutem pode ser produzido pela reduccedilatildeo direta
de um mineacuterio com um agente redutor adequado como eacute o caso da dolomita
reduzida pelo ferro siliacutecio
A induacutestria aeronaacuteutica comercial e militar empregou ligas de Mg
consideravelmente a niacutevel estrutural nas deacutecadas de 1950 a 1970 mas seu uso nas
deacutecadas seguintes foi limitado devido a problemas de corrosatildeo Atualmente a fim de
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
18
aprimorar o desempenho desta nova classe de materiais leves para construccedilatildeo
mecacircnica pesquisadores tecircm se empenhado em todo o mundo no desenvolvimento
de novas ligas visando inserir novamente a sua utilizaccedilatildeo
Ligas de Mg-Zn-Zr do tipo ZK representam uma matriz de maacutexima resistecircncia
mecacircnica dentre todas as ligas de Mg Aleacutem disso estudos recentes tecircm
demonstrado que a adiccedilatildeo de terras raras (RE) melhora a resistecircncia agrave corrosatildeo e agrave
oxidaccedilatildeo (devido agrave formaccedilatildeo de filmes de oacutexidos densos a partir dos elementos
terras raras em soluccedilatildeo soacutelida) um estudo aprofundado de ligas do tipo ZK com
adiccedilotildees distintas de elementos RE pode resultar em alternativas para uma retomada
do uso de materiais agrave base de Mg a onde busca-se uma reduccedilatildeo mais significativa
de peso estrutural
A produccedilatildeo em escala laboratorial da liga ZK60 (Mg-6Zn-1Zr) modificada
com a adiccedilatildeo de 15 em peso de mischmetal que eacute uma mistura de elementos RE
com custo mais acessiacutevel atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo de precisatildeo em estado
semi-soacutelido bem como o estudo do impacto do tratamento teacutermico T6 na
microestrutura e nas propriedades mecacircnicas do material
Este trabalho foi realizado por meio de uma parceria entre a Universidade
Federal de Satildeo Joatildeo Del Rei (UFSJ) e a Escola de Engenharia de Materiais de Satildeo
Carlos pertencente agrave Universidade Estadual do Estado de Satildeo Paulo (USP) que
permitiu o uso de seu laboratoacuterio de fundiccedilatildeo para obtenccedilatildeo dos lingotes das ligas
de magneacutesio ZK60 com e sem adiccedilatildeo de mischmetal
11 Objetivos
O objetivo eacute a caracterizaccedilatildeo da liga ZK60 - modificada com adiccedilatildeo de 15
em peso michsmetal fundido pelo processo de Tixofundiccedilatildeo com os ensaios de
micro dureza Vickers HV Microscopia Oacutetica(MO) Microscopia Eletrocircnica de
Varredura(MEV) Espectroscopia de Dispersatildeo de Energia (EDS) acoplada ao MEV
Comparando os resultados obtidos da liga ZK60 como fundidas com e sem adiccedilatildeo
de MM seguido do tratamento teacutermico T6 Variando as temperaturas solubilizaccedilatildeo
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
19
nas faixas de 250ordmC 350ordmC e 400ordmC e as temperaturas de envelhecimento nas
faixas de 150ordmC 200ordmC e 250ordmC
12 Justificativa
Atualmente eacute crescente a procura por materiais que contribuam para reduzir
as emissotildees de CO₂ causando com isso menor poluiccedilatildeo e menor ataque agrave camada
de ozocircnio Aproximadamente 23 das emissotildees de CO₂ tem origem no setor de
transportes Assim uma importante estrateacutegia para a sustentabilidade deste setor
consiste em atuar na reduccedilatildeo do peso de estruturas automotivas e aeroespaciais
fato que implica natildeo apenas na diminuiccedilatildeo da emissatildeo de poluentes mas tambeacutem
das despesas com a energia consumida (WATARAI H (2006) SCIENCE amp
TECHNOLOGY TRENDS 18 PP 84-97)
Neste sentido uma crescente demanda por materiais agrave base de magneacutesio
(Mg) justifica-se devido agrave sua baixa densidade (23 do alumiacutenio) faacutecil usinabilidade
boa resistecircncia mecacircnica especiacutefica se comparado com os demais materiais
metaacutelicos e elevado potencial de reciclagem (FRIEDRICH HE MORDLIKE BL
MAGNESIUM TECHNOLOGY APPLICATIONS (2006) SPRINGER-VERLAG
BERLIN HEIDELBERG)
O magneacutesio eacute um material ainda pouco explorado com grande potencial para
a sua aplicabilidade como materiais de alto desempenho (KUKAINER 2003)
A liga ZK60 modificada com adiccedilatildeo de Mischmetal representa uma importante
matriz para o desenvolvimento de materiais com aplicaccedilatildeo em estrutura aeronaacuteutica
e componentes mecacircnicos (motores de carros e etc) A adiccedilatildeo de Mischmetal
(terras raras) 15 em peso viraacute formar intermetaacutelicos de elevado ponto de fusatildeo e
estabilidade termoquiacutemica aumento da resistecircncia mecacircnica a temperatura
ambiente e melhoria na propriedade de corrosatildeo (EPSILVA 2012 FUNDICcedilAtildeO NO
ESTADO SEMI-SOacuteLIDO DE LIGA ULTRA LEVE DE MAGNEacuteSIO ZK60 COM
ADICcedilAtildeO DE TERRAS RARAS)
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
20
2 REVISAtildeO DE LITERATURA
21 O magneacutesio
O magneacutesio eacute um elemento quiacutemico de siacutembolo Mg de nuacutemero atocircmico 12
(12 proacutetons e 12 eleacutetrons) com massa atocircmica 24 u metal alcalino-terroso soacutelido
nas condiccedilotildees ambientais pertencente ao grupo (ou famiacutelia) 2 (anteriormente
chamada 2A) Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo em
torno de 2 da crosta terrestre sendo o terceiro mais abundante na aacutegua do mar
(KUKAINER 2003)
22 Demanda por magneacutesio
Historicamente o primeiro uso de magneacutesio pela induacutestria automobiliacutestica
ocorreu com a Volkswagen Beetle em 1930 usando uma caixa de transmissatildeo em
magneacutesio fundido Com o uso de magneacutesio fundido em vez de ferro fundido houve
uma reduccedilatildeo de peso de 50 Kg passando assim o peso do componente para 17 kg
Um dos destaques para o uso do magneacutesio na induacutestria automobiliacutestica se daacute em
razatildeo da economia de combustiacutevel para isto a reduccedilatildeo de peso morto no veiacuteculo eacute
grande importacircncia As ligas de magneacutesio mostram-se uma alternativa viaacutevel e de
futuro com uma reduccedilatildeo de peso em relaccedilatildeo a ligas de alumiacutenio na ordem de 33
e de 75 em relaccedilatildeo ao ferro fundido e accedilos
O uso do magneacutesio foi extensivo durante a Primeira (1914-1918) e Segunda
(1939-1945) Guerra Mundial principalmente em artefatos militares Em 1944 o
consumo alcanccedilou 280000 tano mas apoacutes a guerra reduziu para 10000 tano e
em 1998 com o renovado interesse e novas legislaccedilotildees ambientais o consumo
aumentou para 360000 tano a um preccedilo de US$ 36 doacutelares por quilo (MORDIKE E
EBERT 2001)
Conforme a Tabela 1 a taxa anual de produccedilatildeo de magneacutesio vem crescendo
durante este periacuteodo a uma taxa de 741 aa sendo que as maiores taxas de
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
21
crescimento concentram principalmente nos segmentos de die casting e ligas de
alumiacutenio
Segmento
2005 2006 2007 2008
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Mu
nd
o
Ch
ina
To
tal
Die CastingGravidadeConfor
maccedilatildeo
1682 259 1941 1728 510 2238 1819 920 2739 1893 685 2578
Ligas de Alumiacutenio
1689 301 1990 1730 410 2140 1821 650 2471 2107 450 2557
Dessulfuraccedilatildeo 735 192 927 831 280 1111 855 300 1155 879 100 979
Outros 379 303 682 326 360 692 395 760 1155 405 345 750
TOTAL 4484 1055 5539 4615 1566 6181 4890 2630 7520 5284 1580 6864
Tabela 1 Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro 2009)
A China apresenta-se com uma taxa de crescimento meacutedio anual de consumo
de 144 ultrapassou o consumo Americano e torna-se o maior consumidor
mundial de magneacutesio respondendo por 23 da demanda total
O magneacutesio vem sendo utilizado em diversos segmentos como apresentado
Tabela 2 e Figura 1
Tabela 2 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano de 2008
Segmento Quantidade
Die CastingGravidadeConformados 257779 3756 Ligas de Alumiacutenio 255704 3726
Dessulfuraccedilatildeo 97885 1426 Reduccedilatildeo Metaacutelica 35000 510
Nodularizaccedilatildeo 11985 175 Outras 28000 407 Total 686353 10000
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Tabela 1 Mercado mundial de magneacutesio (mil t) periacuteodo 2005 a 2008
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
22
Figura 1 - Mercado mundial de magneacutesio (t) - ano 2008
Adaptada (ABM 11ordm - Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos - SP- setembro2009)
Conforme a Tabela 3 apresenta uma taxa meacutedia de crescimento anual de
116 no mercado automobiliacutestico concentra-se mais de 80 das aplicaccedilotildees das
ligas de magneacutesio em seguida vem o segmento 3C (Computaccedilatildeo Comunicaccedilatildeo e
Consumo) vem apresentando significativamente taxas de crescimento nos uacuteltimos
anos
Tabela 3 - Mercado mundial de magneacutesio - periacuteodo 1998 a 2008
Tabela 3 ndash Adaptada (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
23
O mercado brasileiro de magneacutesio para o periacuteodo 19982008 a taxa meacutedia de
crescimento nos uacuteltimos 10 anos foi de 797 aa como mostra a Tabela 4 superior
a meacutedia mundial no mesmo periacuteodo que foi de 554 aa
Tabela 4 - Taxa anual de crescimento do mercado brasileiro
Segmento 1998 (t) 2008 (t) Taxa Anual
Crescimento ()
Die Casting 6310 9538 422
Ligas de Alumiacutenio 1960 7524 144
Dessulfuraccedilatildeo 1641 3525 795
Nodulizaccedilatildeo 880 2285 1001
Outros 80 529 2097
TOTAL 10871 23401 797
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
Os segmentos die casting ligas de alumiacutenio e dessulfuraccedilatildeo respondem por
quase 90 de todo o mercado brasileiro o consumo meacutedio de magneacutesio na
induacutestria automobiliacutestica brasileira eacute de apenas 274 kgveiacuteculo contra uma meacutedia
mundial de 44 kgveiacuteculo como Tabela 5 e Figura 2 (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de
metais natildeo ferrosos - SP - setembro 2009)
Tabela 5 - Segmentos do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
Segmento Quantidade (t) ()
Die Casting 9538 4076
Ligas de Alumiacutenio 7524 3215
Dessulfuraccedilatildeo 3525 1506
Nodulizaccedilatildeo 2285 976
Outros 529 227
TOTAL 23401 10000
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro2009)
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
24
Adaptado (ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash setembro 2009)
23 Ocorrecircncias Naturais
O magneacutesio eacute encontrado na natureza em forma de sais carbonatos sulfetos
oacutexidos e cloretos (aacutegua do mar)
Os mais importantes minerais estatildeo listados abaixo
Magnesita MgCo3 (27 Mg)
Dolomita MgCo3 CaCo3 (13 Mg)
Carnalita MgCl2KCl6H2o (8 Mg)
Brucita Mg(OH)2
Eacute o sexto elemento entre os metais em abundacircncia constituindo cerca de 2
da crosta terrestre e o terceiro mais abundante dissolvido nas aacuteguas dos mares e
oceanos sendo o magneacutesio constituinte de 013 das mesmas Calculado em
metal isso representa aproximadamente 11 Kg por metro cuacutebico Portanto natildeo haacute
limitaccedilotildees quanto ao fornecimento de material bruto Em estado puro eacute o mais leve
dos metais conhecidos (ROCHA 1999)
Figura 2 - Segmento do mercado brasileiro de magneacutesio ano de 2008
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
25
24 Processos de obtenccedilatildeo
O magneacutesio metaacutelico eacute obtido atraveacutes de dois caminhos teacutermico e eletroliacutetico
Nos processos teacutermicos o magneacutesio apresenta pureza de produto mais elevada por
ser obtido na forma inicial de vapor Estes processos utilizam como fontes
alternativas a dolomita e a Magnesita Os processos eletroliacuteticos tecircm como
vantagem de ser contiacutenuos e apresentam menores custos de produccedilatildeo e menor
consumo de energia total Utilizam como fonte cloreto de magneacutesio que pode ser
proveniente da cloraccedilatildeo da Magnesita aacutegua do mar e salmouras concentradas
como as aacuteguas-matildees das salinas (FIERN 1998)
Para extraccedilatildeo eletroliacutetica de magneacutesio satildeo necessaacuterios aproximadamente
15000 kWh por tonelada de metal uma quantidade comparaacutevel com a energia
necessaacuteria para produccedilatildeo da mesma quantidade de alumiacutenio (Street 1986) Nesse
processo o metal eacute obtido pela eletroacutelise do cloreto de magneacutesio (MgCl2) meacutetodo
que jaacute foi empregado por Robert Bunsen obtendo-o de salmouras e aacutegua do mar
sendo tambeacutem possiacutevel usar como mateacuterias-primas magnesita dolomita e aacuteguas
salina naturais A extraccedilatildeo do magneacutesio da aacutegua do mar responde pela maior parte
de sua produccedilatildeo industrial com um rendimento em torno de 80 O magneacutesio eacute
precipitado como hidroacutexido ndash Mg(OH)2 ndash pela adiccedilatildeo de oacutexido de caacutelcio (CaO) Em
seguida o hidroacutexido eacute filtrado com aacutecido cloriacutedrico produzindo o cloreto de magneacutesio
(MgCl2) Este depois de seco e misturado com outros sais (para diminuir seu ponto
de fusatildeo) eacute fundido a uma reduccedilatildeo eletroliacutetica
O processo silicoteacutermico ou ferrosiliacutecico emprega como mateacuteria-prima a
dolomita O mineral ferrosiliacutecico liga de ferro e siliacutecio eacute misturado agrave dolomita
calcinada e prensado em pequenos tijolos que satildeo postos numa retorta de accedilo
submetidos ao vaacutecuo e aquecidos a 1200ordmC Por esse processo extrai-se o
magneacutesio em formas de cristais que se funde
O outro processo consiste na reduccedilatildeo teacutermica do oacutexido de magneacutesio (MgO)
por ferro-siliacutecio derivado das minas de carbonetos Recentemente vem sendo
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
26
estudada a possibilidade da produccedilatildeo de magneacutesio atraveacutez da eletroacutelise do cloreto
anidrido de magneacutesio (MgCl2) derivado do mineacuterio (SCHAEFER 2007)
A produccedilatildeo mundial de magneacutesio sofreu uma grande modificaccedilatildeo nos uacuteltimos
15 anos com a migraccedilatildeo de 90 da capacidade instalada muldialmente para a
China Das 21 empresas produtoras de magneacutesio natildeo chinesas que operavam no
periacuteodo de 1990 a 2005 somente cinco continuam operando atualmente com
capacidade instalada conjunta de apenas 160000 tonano equivalente a apenas
12 da capacidade instalada mundial A capacidade instalada mundial para
produccedilatildeo de magneacutesio atingiu em 2008 13 milhotildees de toneladas mas o fator de
utilizaccedilatildeo desta capacidade foi de somente de 50 em 2008 Em 2008 a produccedilatildeo
mundial de magneacutesio apresentou uma reduccedilatildeo de 9 em relaccedilatildeo ao ano anterior o
primeiro recuo registrado na produccedilatildeo do metal em uma deacutecada crise de 2008
O governo chinecircs concede incentivos para o crescimento e modernizaccedilatildeo a
industria de magneacutesio Existe na China uma cadeia formada por empresas
Universidades e Centro de Pesquisa trabalhando em conjunto para melhorar
processos e desenvolver novos produtos e tecnologias para a industria de
magneacutesio Evoluccedilatildeo da produccedilatildeo de magneacutesio metaacutelico na China conforme Tabela
6
Apoacutes concentrar quase 90 da capacidade instalada mundial do metal a
China tem planos estrateacutegicos para agregar valor a industria de magneacutesio deixando
de ser um exportador de mateacuteria-prima para ser um exportador de produtos
manufaturados de magneacutesio(ABM ndash 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash
Setembro2009)
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
27
Tabela 6 - Evoluccedilatildeo do magneacutesio metaacutelico na China
Adaptado (ABM 11ordm- Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash SP ndash Setembro2009)
No Brasil haacute jazidas de Magnesita (MgCO3) no Cearaacute (Oroacutes e Cariuacutes) e na
Bahia (Brumado) Junto com o potaacutessio eacute encontrado em abundacircncia na bacia
saliacutefera de Sergipe grandes reservas de dolomita existem no Paranaacute e em Satildeo
Paulo (SCHAEFER 2007)
A RIMA Industrial com capacidade instalada de 22000 tano eacute o uacutenico
produtor de magneacutesio metaacutelico ligas de magneacutesio e magneacutesio em poacute na America
Latina operando haacute mais de 30 anos em um processo silicoteacutermico de elevada
eficiecircncia Possui planos de continuar crescendo sua produccedilatildeo de magneacutesio de
maneira modular atendendo as necessidades do mercado nacional (ABM 11ordm -
SEMINAacuteRIO DE METAIS NAtildeO FERROSOS ndash SP ndash setembro2009)
25 Principais caracteriacutesticas
O magneacutesio eacute um metal bastante resistente e leve aproximadamente 30
mais leve do que o alumiacutenio Possui coloraccedilatildeo prateada perdendo seu brilho
quando exposto ao ar Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo
uma chama branca intensa rica em raios ultravioleta O magneacutesio eacute um grande
agente redutor e reage com vaacuterios aacutecidos produzindo hidrogecircnio natildeo eacute atacado por
bases e soacute a quente desloca o hidrogecircnio da aacutegua Reage rapidamente com
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
28
liberaccedilatildeo de calor em contato com o ar ou aacutegua motivo pelo qual deve ser
manipulado com precauccedilatildeo O fogo produzido pelo magneacutesio portanto natildeo deve
ser contido atraveacutes do uso de aacutegua (KU KAINER 2003)
26 Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio
O magneacutesio possui propriedades singulares que ainda precisam ser melhor
estudadas e podem abrir caminhos para importantes mercados relacionados a
aplicaccedilotildees estruturais As ligas de magneacutesio apresentam uma excelente relaccedilatildeo
resistecircnciapeso entre os metais e combinam excelentes propriedades fiacutesicas e
quiacutemicas
Algumas das propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio satildeo mostradas na
Tabela 7 (ASSOCIATION 2015) (ELEMENTS 2015) (ELEKTRON 2015)
Tabela 7 - Propriedades fiacutesicas e quiacutemicas do magneacutesio puro
Propriedades Valor Massa atocircmica 2431
Cor Cinza prateado Densidade (temperatura ambiente) 174 gcmsup3 Densidade (temperatura de fusatildeo) 158 gcmsup3
Temperatura de fusatildeo 650 ordmC plusmn 5ordmC Temperatura de ebuliccedilatildeo 1107 ordmC plusmn 10ordmC
Estrutura cristalina HCP Calor de fusatildeo 370 KJ Kg plusmn 15
Coeficiente de expansatildeo linear 26 10-6
K-1
Contraccedilatildeo (soacutelidoliacutequido) 42
Capacidade caloriacutefica (20ordmC) 105 KJ (kg K)-1
Condutividade teacutermica (20ordmC) 155 W (K m)-1
Moacutedulo de elasticidade 45 GPa Elongaccedilatildeo na fratura 1 ndash 12
Condutividade eleacutetrica (IACS) 38 Pressatildeo de vapor 360 Pa a 650ordmC
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
29
27 Propriedades mecacircnicas Gerais do magneacutesio
O magneacutesio eacute fornecido em vaacuterias composiccedilotildees incluindo metal como pureza
comercial (998 min) ligas para fundiccedilatildeo e para confecccedilatildeo de produtos
trabalhados Normalmente composiccedilotildees diferentes satildeo usadas para fundiccedilatildeo em
relaccedilatildeo agraves ligas trabalhadas
Substancialmente o magneacutesio puro natildeo encontra uso praacutetico em projetos de
engenharia e aplicaccedilotildees estruturais O limite de escoamento do metal puro fundido eacute
de aproximadamente 20 MPa com tensatildeo limite de resistecircncia de 20 MPa
alongamento de 6 e dureza Brinell de 30 MPa
Ligado adequadamente fornece materiais com uma ampla faixa de
propriedades mecacircnicas sendo as mesmas determinadas de acordo com os
procedimentos da ASTM
As ligas possuem dureza suficiente para aplicaccedilotildees estruturais exceto
aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas a sua resistecircncia agrave abrasatildeo varia apenas de 15 a 20
Outra caracteriacutestica interessante nas ligas eacute a sua excelente capacidade de
amortecimento se comparada a outros metais A capacidade de amortecimento
pode ser uma propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais tanto para induacutestria
aeronaacuteutica como para equipamentos eletrocircnicos uma vez que a capacidade de
alto amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo
plaacutestica como tambeacutem reduz vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que
pode causar ruiacutedo
A resistecircncia agrave fadiga eacute outro importante fator que deve ser considerado para
as ligas de magneacutesio as curvas para estas ligas tendem a um niacutevel de menor
nuacutemero de ciclos quando comparadas agraves ligas de alumiacutenio O mecanismo de
iniciaccedilatildeo das trincas de fadiga eacute relacionado ao escorregamento na orientaccedilatildeo
preferencial dos gratildeos e agrave frequente existecircncia de micro poros No magneacutesio puro a
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
30
orientaccedilatildeo da trinca eacute influenciada pelo deslizamento no contorno de gratildeo
(fenocircmeno de fluecircncia) Poros superficiais rugosidade elevada e corrosatildeo satildeo
fatores mais importantes para a reduccedilatildeo da vida em fadiga do que composiccedilatildeo
quiacutemica ou tratamento teacutermico Essa grande diferenccedila pode muito bem ser
entendida em uma comparaccedilatildeo entre produtos fundidos e usinados uma vez que os
produtos usinados possuem um acabamento superficial mais refinado e
consequentemente uma maior vida em fadiga O trabalho a frio cria uma
deformaccedilatildeo plaacutestica superficial que gera uma tensatildeo compressiva residual que
aumenta a vida em fadiga
Exceto em aplicaccedilotildees em temperaturas elevadas tem-se registrado caso de
falha por fadiga em ligas de magneacutesio fundido Em geral essas falhas tecircm origem
em projetos inadequados que geram concentraccedilatildeo de tensotildees (Nonferrous 2015)
271 Propriedades estaacuteticas de ligas de magneacutesio forjadas
A tabela 8 apresenta valores de traccedilatildeo e compressatildeo para ligas de magneacutesio
extrudadas e forjadas O comportamento das ligas de magneacutesio em baixas
temperaturas eacute bom em comparaccedilatildeo com os accedilos carbonos natildeo apresentam fratura
fraacutegil ateacute -200ordmC
Tabela 8 - Valores de resistecircncia a traccedilatildeo e compressatildeo de ligas de magneacutesio extrudadas e forjadas
Liga
Estado
Tensatildeo
Compressatildeo
σe (MPa)
σu (MPa)
A ()
σc (Mpa)
M2 F 180 250 4 110
AZ 31 F 180 250 14 110
AZ 61 F 220 300 12 130
AZ 80 F 240 340 10 145
ZK 30 T6 240 290 14 190
ZK 60 T6 280 320 12 230
WE 43 T6 170 260 12 165
WE 54 T6 190 260 10 180
Adaptaccedilatildeo (KU KAINER 2003)
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
31
28 Influecircncia da Corrosatildeo
O magneacutesio eacute um elemento altamente reativo possui um forte fator
eletronegativo sendo facilmente oxidado Haacute tambeacutem a formaccedilatildeo de uma camada
passivadora de MgO para o caso de chapas quando em contato com o ar Com
contato em meios aquosos desestabiliza esse filme gerando a formaccedilatildeo de uma
peliacutecula de Mg(OH)2 que natildeo oferece proteccedilatildeo ao material
A taxa de corrosatildeo das ligas de magneacutesio tende a ser maior com aumento da
umidade no ambiente Cloretos e sulfetos que se formam na superfiacutecie impedem a
formaccedilatildeo da camada protetora e permitem a corrosatildeo por pit O magneacutesio eacute
rapidamente atacado por minerais aacutecidos exceto aacutecidos hidrofluoriacutedricos
Um grande problema que ocorre com o magneacutesio eacute a sua alta
susceptibilidade agrave corrosatildeo galvacircnica jaacute que ele eacute o mais anoacutedico de todos os
materiais estruturais Especialmente em ligas de magneacutesio impurezas do tipo ferro
niacutequel e cobre satildeo altamente indesejaacuteveis diminuindo em muito agrave resistecircncia a
corrosatildeo do produto A facilidade agrave corrosatildeo da superfiacutecie das ligas convencionais
tem sido diminuiacuteda significativamente com a introduccedilatildeo das ligas de alta-pureza HP
onde haacute reduccedilatildeo a niacuteveis criacuteticos de Fe Ni e Cu mas falta ainda a propriedade de
passivaccedilatildeo ou seja a habilidade de criar uma peliacutecula protetora aderente na
superfiacutecie (BROOKS 1982)
29 Vantagens e desvantagens do uso do magneacutesio
Conforme jaacute mencionado o magneacutesio eacute o mais leve dos metais utilizados
como materiais estruturais Eacute esta propriedade que atrai as induacutestrias para substituir
materiais mais densos natildeo soacute accedilos ferro fundido e ligas a base de cobre mas
tambeacutem ligas de alumiacutenio por ligas de magneacutesio
Um resumo das vantagens e limitaccedilotildees de suas aplicaccedilotildees estaacute descrito na
Tabela 9
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
32
Perfil caracteriacutestico das ligas de magneacutesio
Vantagens (+) Desvantagens (-)
Menor densidade de todos os materiais estruturais Metaacutelicos
- Poucas ligas otimizadas
- Alta resistecircncia especiacutefica - Boa fluidez e adequaccedilatildeo para o
processo die casting
- Apenas algumas ligas trabalhadas - Baixa ductilidade e dureza em
temperaturas ambientes
- Faacutecil usinagem com altas velocidades de corte
- Alta resistecircncia mecacircnica e fluecircncia limitada sob altas temperaturas
- Boa soldabilidade sob proteccedilatildeo de gases inertes
- Alta reatividade quiacutemica
- Prontamente disponiacutevel - Conceito de reciclagem disponiacutevel natildeo
compreensiacutevel
Quando comparado com plaacutestico - Melhores propriedades mecacircnicas
- Melhor condutividade teacutermica e eleacutetrica - Reciclaacutevel
- Resistente ao envelhecimento
- Notaacuteveis barreiras em relaccedilatildeo agrave combustibilidade comportamento agrave
corrosatildeo e manuseio - Nuacutemero limitado de fornecedores sem
estabilidade e preccedilos baixos - Em algumas aplicaccedilotildees resistecircncia agrave
corrosatildeo limitada - Baixo moacutedulo de elasticidade
As ligas de magneacutesio foram utilizadas na Primeira e na Segunda Guerra
Mundial mas a partir daiacute foram usada somente em alguns setores da induacutestria
nuclear metaluacutergica e aeronaacuteutica militar com interesse diminuiacutedo (MORDIKE E
EBERT 2001)
O crescimento do uso de magneacutesio na induacutestria automotiva se deve a soma
de diversos fatores
Interesse por parte das montadoras pela diminuiccedilatildeo do peso dos
veiacuteculos para
- Melhorar a eficiecircncia no consumo de combustiacutevel
- Diminuir iacutendices de emissatildeo de gases poluentes para satisfazer a
nova legislaccedilatildeo mais restrita que limita a emissatildeo dos mesmos
motivada pela crescente preocupaccedilatildeo mundial com o aquecimento
Tabela 9 - Aplicaccedilotildees estruturais Adaptado (KU KAINER 2003)
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
33
global
- Melhor dirigibilidade na conduccedilatildeo dos veiacuteculos
Substituiccedilatildeo de numerosos componentes de accedilo e alumiacutenio por ligas
de magneacutesio
Tendecircncia em evitar o uso de plaacutesticos os quais satildeo de difiacutecil
reciclagem
As figuras 3 4 5 e 6 a seguir mostram exemplos de aplicaccedilotildees das ligas de
magneacutesio na induacutestria
Figura 2 - Peccedilas de automoacuteveis a) volante de direccedilatildeo e b) alojamento e caixas de comando (Volkswagen AG) (KU Kainer 2003)
a)
b)
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
34
Figura 3 - Tampa da caixa de velocidade forjado para helicoacuteptero ZK60-T6 1020x445mm 44kg
Adaptado (KU KAINER 2003)
Figura 4 - Peccedilas automotivas projetadas em ligas de magneacutesio Portas de carros lateral e
armaccedilatildeo de assentos Adaptado (R Fink 2003)
Figura 5 - Outras aplicaccedilotildees das ligas de magneacutesio como motosserras e notebook
Adaptado (KU KAINER 2003)
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
35
210 Utilizaccedilatildeo do magneacutesio
O maior uso do magneacutesio na induacutestria metaluacutergica estaacute na produccedilatildeo de ligas
de alumiacutenio tendo esse um papel importante no aumento da resistecircncia agrave corrosatildeo
dessas ligas As principais utilizaccedilotildees do magneacutesio na induacutestria estatildeo representadas
no graacutefico da Figura 5 abaixo (MORDIKE E ELBERT 2001)
Figura 6 - Proporccedilotildees das aplicaccedilotildees metaluacutergicas do magneacutesio em 1997 Adaptado
(MORDIKE E EBERT 2001)
211 Ligas de magneacutesio
2111 Principais elementos de liga
Com advento das ligas de magneacutesio um enorme esforccedilo tem sido realizado
para melhorar as propriedades do magneacutesio puro com adiccedilatildeo de elementos de liga
O principal mecanismo para melhorar as propriedades mecacircnicas eacute por
endurecimento por precipitaccedilatildeo ou endurecimento por soluccedilatildeo-soacutelida O magneacutesio
forma fases intermetaacutelicas com muitos elementos de liga e a estabilidade da fase
aumenta com a eletronegatividade do outro elemento (BROOKS 1982)
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
36
Os elementos de liga utilizados nas ligas de magneacutesio os mais comuns satildeo o
alumiacutenio zircocircnio zinco manganecircs terras raras caacutelcio beriacutelio siliacutecio prata e toacuterio
Estes satildeo adicionados ao magneacutesio a fim de se obter ligas com melhores
caracteriacutesticas mecacircnicas para uso estrutural
As ligas de magneacutesio satildeo passiacuteveis de endurecimento por soluccedilatildeo soacutelida
encruamento refino de gratildeo e precipitaccedilatildeo (Brooks 1982)
Um grande nuacutemero das ligas comerciais satildeo estaacuteveis em temperatura
ambiente e apresentam boa combinaccedilatildeo de propriedades mecacircnicas resistente a
corrosatildeo e fundibilidade No entanto em temperaturas elevadas acima de 120ordmC
apresentam baixa resistecircncia a fluecircncia e diminuem a resistecircncia mecacircnica logo
esta liga natildeo satildeo indicadas para as aplicaccedilotildees em que a peccedila aqueccedila acima de
120ordmC em serviccedilo como afirma Zhang Couture e Luo (1998) Elementos de liga tais
como terras raras toacuterio e iacutetrio conferem agraves ligas de magneacutesio melhor resistecircncia em
temperaturas acima de 120ordmC (ROKHLIN 2003)
As terras raras satildeo adiccedilotildees feitas atraveacutes de quatro elementos de liga o
Ceacuterio(Ce) o Lantacircnio (La) o Neodiacutemio (Ne) e o Praseodiacutemio (Pr) chamado de
mischmetal melhoram as condiccedilotildees de resistecircncia mecacircnica a temperaturas
elevadas Natildeo apresenta problemas com microporosidades e trincas de
solidificaccedilatildeo provavelmente por ter um pequeno intervalo de solidificaccedilatildeo destas
ligas (LU WANG et al 1999 WANG WANG et al 2003)
O zinco eacute adicionado para melhorar a resistecircncia agrave temperatura ambiente por
meio do endurecimento em soluccedilatildeo soacutelida eleva a fluidez da liga e em alto niacuteveis de
zinco acima de 2 pode causar fratura a quente (SAKKINEN 1994)
O zircocircnio eacute adicionado como agente de refino de gratildeo como consequecircncia
melhores propriedades mecacircnicas normalmente usadas em ligas contendo zinco
terras raras e toacuterio (MORDIKE 2001)
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
37
O siliacutecio aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia pela formaccedilatildeo da fase Mg2Si
(SAKKINEN 1994)
O manganecircs adicionado a liga de magneacutesio eacute beneacutefico contra a corrosatildeo
(Sakkinen 1994) tem afinidade com o ferro que eacute altamente nocivo a liga de
magneacutesio com relaccedilatildeo as taxas de corrosatildeo
O caacutelcio reage com o alumiacutenio e forma a fase Al2Ca Esta fase eacute desejada nas
ligas para aplicaccedilotildees em altas temperaturas pois tem alto ponto de fusatildeo
(SAKKINEN 1994)
O beriacutelio estaacute presente em percentuais menores iguais a 10 ppm natildeo altera
as propriedades mecacircnicas mas reduz a oxidaccedilatildeo das ligas (SAKKINEN 1994)
O alumiacutenio eacute o principal elemento de liga adicionado agraves ligas de magneacutesio
aumentando a fluidez da liga a resistecircncia mecacircnica em temperaturas ambientes e
a ductilidade As ligas comerciais de magneacutesio contecircm quantidades que variam
entre 2 a 11 de alumiacutenio (SAKKINEN 1994)
A tabela 10 apresenta os principais elementos de liga em magneacutesio e seus
efeitos
Tabela 10 - Principais elementos de liga para o magneacutesio e seus efeitos Adaptado
(BROOKS 1982 e DIEGO CUNHA MALAGUETA 2003)
Elemento de Liga
Efeito
Alumiacutenio
Desde os anos 20 o alumiacutenio se tornou o principal elemento de liga por aumentar significativamente o limite de resistecircncia atraveacutes da formaccedilatildeo da Mg17Al12 O alumiacutenio aumenta a fundibilidade principalmente em ligas para fundiccedilatildeo sobre pressatildeo Aumenta tambeacutem a faixa de solidificaccedilatildeo facilitando a fundiccedilatildeo Quando presente em teores maiores que 6 em peso torna a liga trataacutevel termicamente poreacutem ligas comerciais dificilmente ultrapassam 10 de Alumiacutenio
Zinco
Eacute o segundo elemento de liga mais importante para o magneacutesio Usualmente utilizado em conjunto com o alumiacutenio para aumentar a resistecircncia agrave temperatura ambiente entretanto quando adicionado em teores acima de 1 em peso reduz a ductibilidade a quente em ligas de magneacutesio contendo de 7 a 10 de alumiacutenio Em conjunto com zircocircnio e terras raras produz endurecimento por precipitaccedilatildeo O zinco auxilia na diminuiccedilatildeo do efeito deleteacuterio do ferro e niacutequel sobre a resistecircncia a corrosatildeo
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
38
Terras Raras
Terras raras aumentam a resistecircncia agrave altas temperaturas Geram precipitados na regiatildeo de contornos de gratildeos aumentando a resistecircncia agrave fluecircncia Tambeacutem diminuem a formaccedilatildeo de trincas e porosidades em fundidos por diminuiacuterem a faixa de temperatura de solidificaccedilatildeo As ligas de magneacutesio com terras raras tecircm sido amplamente estudadas nos uacuteltimos anos visando o melhoramento das propriedades mecacircnicas em solicitaccedilotildees a altas temperaturas como materiais estruturais na industria automobiliacutestica e aeroespacial
Siliacutecio Aumenta a fluidez do banho aumentando a fundibilidade poreacutem diminui a resistecircncia agrave corrosatildeo com ferro presente
Prata Facilita o tratamento de envelhecimento
Toacuterio Aumenta a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 370ordmC e melhora a soldabilidade de ligas contendo zinco
Caacutelcio
Eacute adicionado imediatamente antes do vazamento em fundidos para reduccedilatildeo de oxidaccedilatildeo da liga Atua tambeacutem como redutor da oxidaccedilatildeo no tratamento teacutermico Age ainda como refinador de gratildeo
Beriacutelio Apresenta pequena solubilidade poreacutem adiccedilotildees na ordem de 0001 em peso diminuem a tendecircncia agrave oxidaccedilatildeo superficial durante processos de fusatildeo Pode promover o crescimento de gratildeo em ligas fundidas em areia
Manganecircs
Adiccedilotildees de manganecircs natildeo afetam a resistecircncia maacutexima porem resulta um pequeno aumento na tensatildeo de escoamento A funccedilatildeo principal eacute aumentar agrave resistecircncia em aacutegua do mar em ligas Mg-Al e Mg-Al-Zn por combinar-se com ferro e outros metais pesados
Zircocircnio
O zircocircnio tem o efeito de refinador de gratildeo em ligas de magneacutesio Acredita-se que a proximidade do paracircmetro de rede do zircocircnio com magneacutesio permite que precipitados ricos em zircocircnio formados durante a solidificaccedilatildeo atuem como local de nucleaccedilatildeo heterogecircnea para o magneacutesio
Iacutetrio Apresenta solubilidade de ateacute de ateacute 124 em peso com magneacutesio Egrave adicionado em conjunto com outras terras raras para aumentar a resistecircncia agrave fluecircncia em temperaturas ateacute 300ordm
Estanho Quando utilizado em conjunto com alumiacutenio aumenta a ductilidade da liga e facilita o forjamento pois diminui a tendecircncia a trincas a quente
O ferro cobre e niacutequel ndash diminuem drasticamente a resistecircncia agrave corrosatildeo
Satildeo tidos como impurezas da liga (KU KAINER 2003)
2112 Classificaccedilatildeo e nomenclatura das ligas de magneacutesio
O sistema de designaccedilatildeo das ligas de magneacutesio comumente adotado eacute da
ASTM (American Society of Testting of Materials) que utiliza um conjunto de
nuacutemeros alfanumeacutericos sendo que as primeiras letras indicam os principais
elementos de liga encontrados e os nuacutemeros a percentagem em peso arredondada
destes elementos na liga A terceira parte indica a variaccedilatildeo do tipo de liga
primeiramente descrito enquanto a quarta parte indica a condiccedilatildeo estrutural e o
tratamento recebido
Continuaccedilatildeo Tabela 10
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
39
A tabela 11 corresponde ao conjunto inicial de letras da classificaccedilatildeo das ligas
de magneacutesio cada letra corresponde a um elemento de liga conforme norma ASTM
-1990
Tabela 11 - Classificaccedilatildeo dos elementos de liga (ASTM - 1990)
Letra Elemento de
liga Letra Elemento de liga
A Alumiacutenio M Manganecircs
B Bismuto N Niacutequel
C Cobre P Chumbo
D Caacutedmio Q Prata
E Terras Raras R Cromo
F Ferro S Siliacutecio
G Magneacutesio T Estanho
H Toacuterio W Iacutetrio
K Zircocircnio Y Antimocircnio
L Liacutetio Z Zinco
As ligas com o mesmo teor de elementos de ligas majoritaacuterios satildeo
diferenciadas por letras situadas apoacutes o primeiro conjunto de letras e nuacutemeros com
relaccedilatildeo a uma designaccedilatildeo e ordem de registro seja por grau de pureza resistecircncia
a corrosatildeo e ou outros mostrado na Tabela 12 segundo a norma ASTM-1990
Tabela 12 - Classificaccedilatildeo das ligas de magneacutesio (ASTM-1990)
Letras Designaccedilatildeo
A primeira liga registrada na ASTM
B segunda liga registrada na ASTM
C terceira liga registrada na ASTM
D liga de alta pureza
E liga de alta resistecircncia a corrosatildeo
X1 liga natildeo registrada na ASTM
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
40
A Tabela 13 mostra a quarta parte da classificaccedilatildeo que indica o tipo de tratamento
teacutermico mecacircnico
Tabela 13 - Condiccedilatildeo do tratamento teacutermico mecacircnico (ASTM-1990)
Siacutembolo
Condiccedilatildeo
F Natildeo tratado
O Recozido
H10 e H11 Levemente encruado
H23 H24 e H26 Encruado e parcialmente recozido
T4 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
T5 Envelhecimento artificialmente
T6 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificialmente
T8 Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo trabalho a frio e envelhecimento
artificialmente
Exemplo de uma liga de magneacutesio com a classificaccedilatildeo e nomenclatura
conforme norma ASTM-1990
Liga ZK60 A ndash T6 onde
Z ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zinco)
K ndash Elemento de liga majoritaacuterio (zircocircnio)
6 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zinco (6 de zinco)
0 ndash Percentual do elemento de liga majoritaacuterio zircocircnio (045 min de
zircocircnio)
A ndash Primeira liga registrada na ASTM
T6 ndash Tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento artificial
O restante do presente corresponde ao magneacutesio
A Tabela 14 mostra especificaccedilatildeo da composiccedilatildeo quiacutemica da liga ZK60
conforme norma ASTM B93B93M-09
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
41
Tabela 14 - Especificaccedilatildeo composiccedilatildeo quiacutemica liga ZK60 (ASTM- 2009)
Mg Zn Ce La Nd Pr Zr Outros
Min Rest 57 - - - - 03 -
Max Rest 63 - - - - 10 03
212 Processos de fundiccedilatildeo do magneacutesio
O magneacutesio pode ser fundido por vaacuterios processos incluindo fundiccedilatildeo sob
pressatildeo fundiccedilatildeo em molde permanente fundiccedilatildeo em areia fundiccedilatildeo em cera
perdida O tipo de processo e o meacutetodo de fabricaccedilatildeo utilizado em uma mesma liga
interferem nas propriedades finais do fundido logo eacute relevante ressaltar a
importacircncia do processo utilizado na fusatildeo da liga
O processo que prevalece na fundiccedilatildeo do magneacutesio eacute o processo de fundiccedilatildeo
sob alta pressatildeo tambeacutem chamado de fundiccedilatildeo sob pressatildeo Durante este
processo o molde eacute apertado por forccedilas hidraacuteulicas sendo rapidamente preenchido
pelo metal fundido O metal solidifica com uma elevada taxa de resfriamento (100-
1000 ordmCs) resultando em material de gratildeo fino (KU KAINER 2003)
No processo de fundiccedilatildeo sob pressatildeo (ou Die Casting) satildeo usados dois tipos
de equipamentos de fundiccedilatildeo sob pressatildeo cacircmara quente e cacircmara fria Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara quente eacute mantido um reservatoacuterio de metal liacutequido
no interior de um forno que faz parte do equipamento O sistema de bombeamento eacute
imerso no metal liacutequido o qual eacute impelido pela bomba para a cavidade do molde Na
fundiccedilatildeo em matriz com cacircmara fria o metal eacute fundido em um forno e apoacutes uma
concha transfere o metal liacutequido ateacute a injetora onde um pistatildeo eacute inserido na matriz
injetando o metal para dentro da cavidade do molde Embora estes dois tipos de
maacutequinas sejam normalmente usadas as maacutequinas de cacircmara fria satildeo quase
sempre preferidas pois pode ser usada uma maior pressatildeo de injeccedilatildeo As maacutequinas
de cacircmara quente utilizam pressotildees de 02 a 3 kgmm2 enquanto que maacutequinas de
cacircmara fria utilizam pressotildees consideravelmente maiores entre 3 a 11 kgmm2 No
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
42
entanto para o magneacutesio ainda eacute mais indicado o processo de cacircmara quente jaacute
que o magneacutesio em contato com o oxigecircnio oxida facilmente podendo entrar em
combustatildeo (KU KAINER 2003)
2121 Tixofundiccedilatildeo
Novas tecnologias de processo estatildeo tornando altamente viaacuteveis a produccedilatildeo
em grande escalas de peccedilas de magneacutesio entre elas a tixofundiccedilatildeo Este processo
ilustrado na Figura 8 denominado tixofundiccedilatildeo eacute patenteado pela empresa norte-
americana Thixomat e caracteriza-se pela fundiccedilatildeo por injeccedilatildeo de alta velocidade de
ligas metaacutelicas que possuem caracteriacutestica tixotroacutepicas ou seja materiais que se
tornam mais liacutequido quando submetidos agrave agitaccedilatildeo mecacircnica ou centrifugaccedilatildeo Por
apresentarem caracteriacutesticas tixotroacutepicas as ligas de magneacutesio podem facilmente
ser fundidas pelo processo de tixofundiccedilatildeo O funcionamento da maacutequina de
tixofundiccedilatildeo eacute muito similar ao de uma maacutequina de injeccedilatildeo de plaacutestico com a
diferenccedila de que a alimentaccedilatildeo no canhatildeo eacute feita com ligas de metal fragmentado
em vez de granulado de plaacutetico (HUSKY 2004)
Figura 7 - Processo ilustrado de Tixofundiccedilatildeo Adaptado (KU KAINER 2003)
O procedimento adequado para tixofundiccedilatildeo eacute a realizaccedilatildeo da agitaccedilatildeo do
banho no estado liquido ateacute uma temperatura proacutexima da temperatura de fusatildeo em
que a proporccedilatildeo de liquido de fase soacutelida eacute de aproximadamente de 30-40
conforme Figura 9 (KUKAINER 2003)
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
43
Figura 8 - Composiccedilatildeo tiacutepica em funccedilatildeo da temperatura mostrada pelo diagrama de fases MgAl para tixofundiccedilatildeo da liga AZ91 Adaptado (KU KAINER 2003)
As peccedilas das ligas de alumiacutenio e magneacutesio fundidas pelo meacutetodo tradicional
apresentam imperfeiccedilotildees que possibilitam o seu uso nos sistemas de suspensatildeo
mais isso natildeo ocorre com a fundiccedilatildeo das ligas por semi-soacutelidos O processo melhora
as propriedades mecacircnicas do metal tornando-o mais resistente A multinacional
Magneti Marelli Sistema Automotivo eacute a uacutenica empresa no Brasil a empregar a
tixofundiccedilatildeo para a produccedilatildeo industrial em sua faacutebrica de Hortolacircndia interior de
Satildeo Paulo a unidade Controle Motor tem uma linha de fundiccedilatildeo de alumiacutenio em
estado semi-soacutelido Na Magneti satildeo fabricadas galerias de combustiacutevel para motores
de automoacuteveis e motocicletas para o mercado nacional e para exportaccedilatildeo O
componente possui elevado compromisso com seguranccedila veicular devido a
conduccedilatildeo de combustiacutevel sob pressatildeo A utilizaccedilatildeo de fundiccedilatildeo de alumiacutenio semi-
soacutelido se justifica porque atende agraves exigecircncias de baixo teor de microtrincas e
porosidade aliado agrave elevada capacidade de moldagem de geometria complexas
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
44
A pasta tixotroacutepica que pode ser das ligas magneacutesio ou alumiacutenio em estado
semipastoso utilizada na tixofundiccedilatildeo eacute uma mistura do mesmo material nos
estados soacutelido e liacutequido que eacute obtida a partir de controles rigorosos do processo
Nesse estado o material pode ser manuseado quando em repouso e sem pressatildeo
aplicada no entanto ao ser injetado adquire estado semelhante ao liquido a liga
continua soacutelido mas tem uma fluidez de escoamento como fosse liacutequido
Esse comportamento do metal semi-soacutelido deve-se a alteraccedilotildees em sua
estrutura no preparo para a tixofundiccedilatildeo as ligas satildeo controladas para adquirir uma
estrutura formada por gratildeos esfeacutericos conforme Figura 8 diferentes das ligas
convencionais em que a estrutura eacute por colunas Eacute essa configuraccedilatildeo interna
globular que confere agrave liga quando atinge a temperatura de conformaccedilatildeo ldquoa
consistecircncia de manteigardquo
No estado semi-soacutelido as ligas adquirem uma viscosidade semelhante agrave do
mel esta caracteriacutestica confere vantagens para o uso da tixofundiccedilatildeo entre as quais
a elevada capacidade de moldagem de componentes com geometria complexa e
que exijam baixa quantidade de defeitos como trincas e porosidades
As peccedilas tixofundidas satildeo obtidas em condiccedilotildees de acabamento que
dispensam a usinagem normalmente aplicada a peccedilas fundidas aleacutem disso eacute um
meio de fabricaccedilatildeo bastante econocircmico quando comparado com os processos
tradicionais por utilizar baixas temperaturas de transformaccedilatildeo pois os ciclos de
moldagem das ligas semi-soacutelidos satildeo menores do que os apresentados com o
material na fase liacutequida
A fundiccedilatildeo de semi-soacutelido eacute indica para componentes de seccedilotildees descontiacutenua
e ricas em detalhes de dimensotildees reduzidas e curvaturas de raio reduzido dentre as
aplicaccedilotildees exemplificadas haacute a fabricaccedilatildeo de chassis de filmadora e cacircmeras
fotograacuteficas componentes para as industrias automobiliacutestica e aeroespacial e toda
uma infinidade de peccedilas obtidas em ciclos reduzidos e com baixo consumo de
energia (Revista do alumiacutenioEdiccedilatildeo10 Primeiro Trimestre 2007 Tiacutetulo Fundiccedilatildeo
do Futuro)
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
45
A Figura 10 apresenta esquematicamente a morfologia de como se
apresenta a microestrutura dos gratildeos com e sem agitaccedilatildeo do banho metaacutelico na
condiccedilatildeo de semi-soacutelidos
Figura 9 - Dentritas e globulares formaccedilotildees em ligas de Mg e Al Adaptado (KU KAINER 2003)
213 Propriedades mecacircnicas das ligas de magneacutesio
A estrutura cristalograacutefica do magneacutesio puro eacute a hexagonal compacta Em
aplicaccedilatildeo de engenharia eacute comum o uso de ligas para conferir um aumento da
resistecircncia mecacircnica quando a liga eacute exigida mecanicamente em temperatura
ambiente a mesma apresenta pequena deformaccedilatildeo ateacute a fratura sendo esta uma
caracteriacutestica tiacutepica de ligas fraacutegeis Quanto a metalurgia fiacutesica as ligas de
magneacutesio apresentam uma tendecircncia favoraacutevel ao empacotamento com outros
aacutetomos favorecendo a formaccedilatildeo de soluccedilotildees soacutelidas jaacute que o diacircmetro atocircmico do
magneacutesio eacute da ordem de 0320hm tornando diversos aacutetomos favoraacuteveis ao
empacotamento (BROOKS 1982)
As ligas de magneacutesio possuem uma excelente capacidade de amortecimento
comparada a outros metais A capacidade de amortecimento pode ser uma
propriedade interessante na seleccedilatildeo de materiais para induacutestria aeronaacuteutica e
automobiliacutestica como tambeacutem para peccedilas de equipamentos eletrocircnicos Alto
amortecimento natildeo somente reduz as vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo plaacutestica
mas reduziraacute vibraccedilotildees causadas pela deformaccedilatildeo elaacutestica o que pode causar ruiacutedo
(Brooks 1982) Dai o seu uso em almas de volante de automoacuteveis
Sem agitaccedilatildeo Com Agitaccedilatildeo
Fundido
Globulares (α) Dendritas (α)
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
46
Os produtos fabricados com as ligas de magneacutesio possuem propriedades
mecacircnicas e ductilidade variada Isso se deve aos diferentes elementos de liga bem
como o fato de muitas das ligas serem tratadas termicamente Outros fatores que
influenciam as propriedades mecacircnicas se devem essencialmente aos paracircmetros
adotados durante o processo tais como temperatura velocidade de resfriamento e
taxa de deformaccedilatildeo entre outros inerentes desde o processo de fusatildeo ateacute o destino
final da peccedila
Uma das propriedades que mais atrai o uso do magneacutesio eacute a sua baixa
densidade sendo possiacutevel construir estruturas mais leves com as mesmas
caracteriacutesticas mecacircnicas de materiais estruturais jaacute sendo usado em grandes
escalas
As ligas de magneacutesio possuem uma conduccedilatildeo teacutermica difusividade e uma
condutividade eleacutetrica relativamente alta importante quando o aterramento eacute
requerido bem como natildeo satildeo ferromagneacuteticas sendo ideal para a utilizaccedilatildeo em
peccedilas que requerem um bloqueio contra as ondas eletromagneacuteticas (BROOKS
1982)
O magneacutesio possui dureza suficiente para algumas aplicaccedilotildees estruturais
exceto aquelas que envolvam abrasatildeo severa Embora haja uma grande variaccedilatildeo de
dureza entre as ligas de magneacutesio a sua resistecircncia abrasatildeo varia apenas de 15 a
20 (BROOKS 1982)
O valor do moacutedulo de elasticidade (E) do magneacutesio e suas ligas eacute de 45Gpa a
temperatura ambiente e o moacutedulo de cisalhamento (G) eacute de 165 Gpa com um
coeficiente de Poisson de 035
A grande influecircncia na variaccedilatildeo das propriedades se deve a orientaccedilatildeo
estrutural do material devido a essa orientaccedilatildeo preferencial da rede cristalina as
ligas de magneacutesio podem apresentar diferentes respostas a ensaios mecacircnicos
realizados pois a orientaccedilatildeo de ensaios em relaccedilatildeo a estrutura do produto eacute de
grande importacircncia (BROOKS 1982)
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
47
2131 Propriedade mecacircnica de micro dureza Vickers
Com indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e
acircngulo de 136ordm Figura 11 e a Figura 12 abaixo mostra a impressatildeo na amostra
Para a obtenccedilatildeo do valor de micro dureza Vickers (de designaccedilatildeo HV) e recorre-se
a seguinte foacutermula
Figura 10 - Indentador caacutelculo da micro dureza Vickers Adaptado (SMITHWF2012)
Sendo d o valor meacutedio das diagonais impressa na amostra (mm) e F a carga
aplicada (kgf) (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf
visualizado em 20012015)
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
48
Figura 11 - Exemplo da mediccedilatildeo das diagonais d1 e d2 dos ensaios de micro dureza Vickers Adaptado (SMITH WF 2012 e httpwwwglobalstcombrbgven_mec13 pdf visualizado em 20012015)
214 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute agrave
temperatura de solidus podemos controlar a solidificaccedilatildeo e posterior
envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades do material
( Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals Zolotorevsky VS NA Belov e
MV Glazoff Casting Aluminum Alloys 2007 Elsevier)
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute o de promover a formaccedilatildeo de
uma dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
49
dos deslocamentos e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da
liga tratada termicamente O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo pode ser
explicado recorrendo ao diagrama de fases dos elementos de liga Para que uma
liga de composiccedilatildeo X-Z possa ser endurecida por precipitaccedilatildeo eacute condiccedilatildeo
necessaacuteria que a composiccedilatildeo da liga permita um tratamento num campo monofaacutesico
e que a solubilidade do elemento Z na soluccedilatildeo soacutelida diminua com a diminuiccedilatildeo de
temperatura (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
O processo de endurecimento por precipitaccedilatildeo envolve trecircs passos sendo
eles o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo a tecircmpera e o envelhecimento como
apresentado na Figura 13 (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Figura 12 - Adaptado ( CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
No caso das ligas usadas em fundiccedilatildeo injetada eacute necessaacuterio um cuidado
especial em relaccedilatildeo aos tempos e temperaturas utilizados pois o aumento da
temperatura de forma a acelerar o processo de difusatildeo e posterior precipitaccedilatildeo leva
agrave formaccedilatildeo de excessivas porosidades e distorccedilotildees ( SMITH 2012)
2141 Solubilizaccedilatildeo
Como o proacuteprio nome indica trata-se de um tratamento que tem a finalidade
de solubilizar os elementos que compotildeem a liga isto eacute dissolver as fases
Temperatura de solubizaccedilatildeo
Tempera
Temperatura Solvus
Envelhecimento
o
Tempo t
Tem
pera
tura
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
50
intermetaacutelicas e permitir a formaccedilatildeo de uma soluccedilatildeo soacutelida com elementos que
seratildeo responsaacuteveis pelo endurecimento A amostra a ser solubilizada eacute aquecida e
mantida a uma temperatura entre as linhas de solvus e de solidus ateacute que se forme
uma soluccedilatildeo soacutelida de composiccedilatildeo uniforme No que toca ao tempo e temperatura
de solubilizaccedilatildeo existe um limite de tempo findo o qual a dissoluccedilatildeo dos elementos
atinge o valor de equiliacutebrio e a partir do qual natildeo haacute qualquer vantagem em
prolongar a duraccedilatildeo da solubilizaccedilatildeo Jaacute com a temperatura no caso de esta ser
exagerada pode levar agrave fusatildeo incipiente da liga levando a uma perda significativa de
propriedades mecacircnicas Pelo contraacuterio temperaturas ou tempos de solubilizaccedilatildeo
insuficientes natildeo asseguram a dissoluccedilatildeo dos elementos endurecedores levando a
endurecimento final inferior (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
2142 Tecircmpera
Na tecircmpera a amostra eacute rapidamente resfriada normalmente ateacute agrave
temperatura ambiente sendo em geral usada aacutegua como meio de resfriamento O
resfriamento raacutepido impede a difusatildeo dos elementos dissolvidos e respectiva
precipitaccedilatildeo num estado grosseiro e de equiliacutebrio apresentando-se assim em
soluccedilatildeo solida sobressaturada (SMITH 2012)
Em certas ligas trataacuteveis termicamente se a velocidade de resfriamento da
peccedila fundida no molde for suficientemente raacutepida pode obter-se uma liga no estado
de soluccedilatildeo soacutelida sobressaturada sem necessidade de outros meios de
resfriamento Deste modo as etapas de solubilizaccedilatildeo e tecircmpera podem ser
eliminadas no endurecimento por precipitaccedilatildeo sendo apenas necessaacuterio fazer o
envelhecimento apoacutes remoccedilatildeo da peccedila do molde Um bom exemplo de aplicaccedilatildeo
deste tipo de tratamento teacutermico eacute a produccedilatildeo de pistotildees de automoacuteveis
endurecidos por precipitaccedilatildeo A designaccedilatildeo deste tratamento teacutermico eacute T5
(CALLISTER 2014 e httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS
visualizado 20012015)
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
51
2143 Envelhecimento
O envelhecimento eacute a ultima etapa do processo de endurecimento por
precipitaccedilatildeo e consiste na precipitaccedilatildeo controlada do soluto formando precipitados
finamente dispersos na matriz Os precipitados finos na liga impedem o movimento
dos deslocamentos durante a deformaccedilatildeo forccedilando os deslocamentos das
partiacuteculas de precipitados ou a rodeaacute-las Restringindo o movimento dos
deslocamentos durante a deformaccedilatildeo aumenta-se a resistecircncia mecacircnica
(CALLISTER 2014 e SMITH 2012) Ou seja apoacutes a etapa de resfriamento raacutepido o
estado de soluccedilatildeo solida sobressaturada que eacute relativamente instaacutevel tende a
passar para um estado de menor energia atraveacutes da precipitaccedilatildeo de fases
metaestaacuteveis ou de equiliacutebrio Para descrever as fases que se formam nesta liga eacute
necessaacuterio estudar os diagramas da mesma tendo em consideraccedilatildeo que o zinco e o
mischmetal satildeo o elemento endurecedor da liga em estudo (CALLISTER 2014 e
SMITH 2012)
Se o envelhecimento for realizado por longos periacuteodos eou a altas
temperaturas os precipitados se juntam aumentando o espaccedilamento entre
partiacuteculas Com o crescimento os precipitados tornam-se incoerentes (fase β) A liga
sobre-envelhece e fica menos resistente em comparaccedilatildeo com o ponto de
envelhecimento maacuteximo (CALLISTER 2014 e SMITH 2012)
Estes fenocircmenos satildeo analisados atraveacutes de curvas de envelhecimento como
a da Figura 14 onde a formaccedilatildeo e crescimento dos precipitados satildeo relacionados
com a resistecircncia mecacircnica
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
52
Figura 13 - Curva esquemaacutetica de envelhecimento Adaptado (SMITH WF 2012 McGraw-hill)
Este envelhecimento quando agrave temperatura ambiente designa-se por
envelhecimento natural com o uso de temperaturas elevadas designa-se por
envelhecimento artificial sendo que a maior parte das ligas requer este tipo de
envelhecimento (SMITH 2012) Os tratamentos de envelhecimento da liga estudada
satildeo sugeridos entre os 150ordmC 200ordmC e 250ordmC para um de tempo de 12 horas
A dispersatildeo de precipitados de Mg-Zn Mg-Zr-RE e Mg-RE apenas pode ser
identificada no TEM (Microscopia Eletrocircnica de Transmissatildeo) No entanto mesmo
no TEM natildeo se consegue detectar as fases em forma de agulhas em fases muito
precoces do envelhecimento (httpptscribdcomdoc47456292Aluminio-e-suas-
Ligas Visualizado em 20012015)
215 Caracterizaccedilatildeo liga ZK60+25RE
A liga foi obtida atraveacutes de processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor O tarugo
apoacutes fundido a uma temperatura de 440ordmC estando completamente soacutelido foi
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
53
retirado do forno fusatildeo e resfriado em aacutegua a temperatura ambiente (SILVA
Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
2151 Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC)
A Figura 15 mostra as curvas de aquecimento e resfriamento obtidas por
Calorimetria Diferencial Exploratoacuteria (DSC) A curva de aquecimento revela
primeiramente que a temperatura liquidus da liga eacute de 620ordmC mostrando que a
adiccedilatildeo de terras raras causa a diminuiccedilatildeo da temperatura liquidus da liga ZK60 que
eacute de 635degC Aleacutem disso eacute visiacutevel que a liga apresenta distintos tipos de precipitado
No intervalo de 325 a 370degC a dissoluccedilatildeo de trecircs fases diferentes eacute detectada As
temperaturas de 335degC e 344degC coincidem com os pontos de fusatildeo dos precipitados
Mg7Zn3 e MgZn O terceiro pico observado a 366degC sugere a formaccedilatildeo de um
composto ternaacuterio Mg-Zn-RE Aleacutem dos precipitados contendo Zn de baixo ponto de
fusatildeo observou-se ainda um pico endoteacutermico junto agrave temperatura solidus de iniacutecio
de fusatildeo Este pico a 506degC indica a dissoluccedilatildeo de precipitados do tipo MgxREy
O comportamento no resfriamento natildeo eacute totalmente idecircntico aquele
observado no aquecimento Natildeo ocorrem no resfriamento todos os picos
exoteacutermicos de formaccedilatildeo de precipitados correspondentes aos endoteacutermicos de
dissoluccedilatildeo no aquecimento O pico exoteacutermico a 490degC tambeacutem eacute mais estreito e
melhor definido possibilitando ainda uma determinaccedilatildeo mais precisa da temperatura
solidus da liga que corresponde a 440degC Estas diferenccedilas sugerem que as taxas de
resfriamento empregadas na solidificaccedilatildeo da liga mesmo que conduzida a forno
fechado e principalmente na tecircmpera final do tarugo em aacutegua produzem
precipitados metaestaacuteveis nos intervalos de temperatura de 500degC e 350degC Em
condiccedilotildees de equiliacutebrio formam-se apenas um precipitado do tipo MgxREy a 490degC e
MgZn a 340degC (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
54
Figura 14 - Curva de aquecimento e resfriamento a 2 Kmin da liga ZK60+25RE no ensaio de calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Adaptado ( Silva Erenilton Pereira (USP-EESC 2012)
2152 Microestrutura
A Figura 16 ilustra a microestrutura da liga ZK60-25RE como fundida O
batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura homogecircnea
formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase α-Mg reforccedilada por uma
extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo O tamanho meacutedio de gratildeo eacute de 150microm e duas morfologias
distintas de precipitados satildeo observadas uma lisa e outra lamelar
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
55
Figura 15 - Como fundida imagens por MEV eletrons retroespalhados BSE ADAPTADO (SILVA Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
EDS Figura 16 micro anaacutelise quiacutemica revelam que os precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados apenas por Zn e Mg jaacute os formados por morfologia
lisa contecircm Ce e La que representam os principais terras raras presentes no
mischmetal aleacutem de Zn e Mg como apresenta a Figura 17
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
56
Figura 16 - Mapeamento por EDS da distribuiccedilatildeo de Zn Ce e La nos precipitados observados Adaptado (Silva Erenilton Pereira USP-EESC 2012)
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
57
3 MATERIAIS E METOacuteDOS
31 Materiais
Iniciamos nossos estudos com uma parceria com USP-EESC juntamente
com apoio do Prof Dr Haroldo Cavalcanti Pinto e do doutorando Erenilton Pereira
da Silva
Em virtude de alguns problemas de processo que refletia na qualidade do
tarugo obtido tivemos que fazer trecircs experimentos variando alguns paracircmetros de
processo acarretando um longo tempo de idas e vindas a USP-EESC no total de 3
vezes ida 1 Figura 18 e ida 2 Figura 19 tarugos apresentando altos graus de
defeitos de fundiccedilatildeo e trincas
Finalmente na uacuteltima ida a USP-EESC Figura 20 setembro 2014
conseguiu um tarugo de excelente qualidade isento de defeitos de fundiccedilatildeo trincas
e oxidaccedilatildeo
Figura 17 - Apresenta o tarugo quadrado apoacutes corte com trincas rechupes e porosidades
Trinca
Rechupe
Porosidades
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
58
Figura 18 - Apresenta tarugo quadrado apoacutes corte com trincas e rechupe
Figura 19 - Apresenta tarugo redondo apoacutes corte isento de defeitos
A formaccedilatildeo de trincas localizadas nas partes externas do lingote quadrado satildeo
originadas dos cantos vivos presentes onde inicia-se a solidificaccedilatildeo que resfriam
rapidamente natildeo deixando o metal contrair durante a mudanccedila de fase liquido para
soacutelido sendo o valor da contraccedilatildeo para as ligas de magneacutesio de 42 Enquanto
que para os formatos redondos a contraccedilatildeo ocorre de forma livre evitando desta
forma a formaccedilatildeo de trincas Apoacutes alguns experimentos chegou-se a conclusatildeo que
o melhor resultado foi apresentado pelo tarugo de formato redondo como
demonstrado atraveacutes do resultado obtido
Rechupe
s Trinca
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
59
A liga ZK60-15RE foi obtida utilizando as seguintes mateacuterias primas
magneacutesio metaacutelico liga de adiccedilatildeo Zirmax (Mg-333Zr) zinco eletroliacutetico e
mischmetal (55 Ce 24La 15Nd 4Pr) Para obtenccedilatildeo das temperaturas
solidus e liquidus baseou-se no intervalo de solidificaccedilatildeo do sistema binaacuterio Mg-Zn
conforme Figura 21
Figura 20 - Sistema binaacuterio MgZn Adaptado (FRIEDRICH MORDIKE 2006)
As ligas foram obtidas pelo processo de fundiccedilatildeo sob agitaccedilatildeo mecacircnica no
estado semi-soacutelido utilizando-se um forno resistivo munido de batedor conforme a
Figura 22 A atmosfera foi protegida com argocircnio a uma vazatildeo de 15 Lmin
mantendo-se ainda uma pressatildeo absoluta de aproximadamente 075 bar O cadinho
e o batedor foram confeccionados de accedilo SAE 1020 As dimensotildees finais do tarugo
foram de 124 mm de diacircmetro e 245 mm de altura que representa cerca de 40 do
volume do cadinho conforme Figura 23
Especificado conforme ASTM
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
60
Figura 21 - Forno resistivo
Figura 22 - Tarugo 124 mm de diacircmetro por 245 mm de altura
32 Tratamentos teacutermicos
O magneacutesio e suas ligas podem ser tratados de modo a obter a combinaccedilatildeo
de propriedades mecacircnicas e fiacutesicas desejadas Os tratamentos teacutermicos baseiam-
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
61
se na variaccedilatildeo das solubilidades dos elementos microestruturais Como a
solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura ateacute a
temperatura de solidus (sistema binaacuterio Mg-Zn) podemos controlar a solubilizaccedilatildeo e
posterior envelhecimento de forma a controlar a formaccedilatildeo e distribuiccedilatildeo das fases
precipitadas que influenciam as propriedades dos materiais
O objetivo do endurecimento por precipitaccedilatildeo eacute promover a formaccedilatildeo de uma
dispersatildeo densa e fina de partiacuteculas de precipitados numa matriz de metal
deformaacutevel As partiacuteculas dos precipitados atuam como obstaacuteculos ao movimento
das discordacircncias e como consequecircncia aumentam a resistecircncia mecacircnica da liga
tratada termicamente O tratamento teacutermico escolhido foi o T6 que foi realizado no
forno modelo ANALOacuteGICA tipo NA-1100-TM do laboratoacuterio de ensaios mecacircnicos
UFSJ Figura 24 com a proteccedilatildeo da atmosfera com argocircnio com uma vazatildeo de 10
Lmin e uma pressatildeo absoluta de 125 bar
Figura 23- Forno de tratamento teacutermico
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
62
Os tratamentos teacutermicos foram realizados conforme descrito na Tabela 15
Tabela 15 ndash Tratamentos teacutermico de solubilizaccedilatildeo e envelhecimento
Tabela 15 3 - sem RE e 4 - com RE
33 Microestrutura
331 Preparaccedilatildeo metaloacutegrafica
Os corpos de provas foram retirados em pequenos tamanhos devido a
necessidade e a facilidade para se fazer o embutimento a frio com massa plaacutestica
automotiva Figura 25 lixamento seguido a seacuterie das lixas 80 120 220 240 320
400 500 600 1000 1200 1500 e 2000 girando a 90ordm Figura 26 polimento em
pano especiacutefico com alumina de 1micro Figura 27 limpeza com ultrassom em aacutelcool
etiacutelico 99ordm Figura 28 e ataque quiacutemico com nital 35 por 1 minuto Para uma
melhor nitidez de uma anaacutelise microestrutural eacute recomendaacutevel usar como ataque
quiacutemico o picral soluccedilatildeo constituiacuteda de aacutecido piacutecrico com aacutelcool etiacutelico
AMOSTRA
SOLUBILIZACcedilAtildeO
ENVELHECIMENTO
3A 4A 3A 4A 3A 4A
400ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
3B 4B 3B 4B 3B 4B
350ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC 250ordmC 12 horas
3C 4C 3C 4C 3C 4C
250ordmC 24 horas
150ordmC200ordmC250ordmC 12 horas
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
63
Figura 24 - Embutimento
Figura 25 ndash Lixamento Figura 26 - Polimento
Figura 27 - Limpeza Ultrassocircnica
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
64
332 Caracterizaccedilatildeo da microestrutura
A caracterizaccedilatildeo microestrutural das amostras foi efetuada com recursos agrave
microscopia oacutetica (MO) e agrave microscopia eletrocircnica de varredura (MEV)
Recorreu-se agrave espectroscopia de dispersatildeo de energias (EDS) acoplada ao
MEV para a identificaccedilatildeo dos elementos quiacutemicos presentes nas fases das
amostras
333 Ensaio mecacircnico
A avaliaccedilatildeo da liga como fundida e os efeitos dos tratamentos teacutermicos nas
propriedades foram realizados por meio do ensaio mecacircnico de micro dureza
Vickers com carga de 196 N durante 20 segundos
O equipamento usado foi Mitutoyo modelo MVK GI do laboratoacuterio
metalograacutefico UFSJ conforme Figura 29
Figura 28 - Medidor de micro dureza Vickers
Os ensaios foram realizados segundo a norma ISO 6507-12005 com
indentador de forma de piracircmide de diamante com base quadrangular e acircngulo de
136ordm
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
65
34 Tratamento estatiacutestico
Os fatores experimentais investigados foram o tipo de liga com e sem adiccedilatildeo
de mischmetal como fundida (2) Temperaturas solubilizaccedilatildeo T1 T2 e T3 com e
sem mischmetal (3) e Temperaturas de envelhecimento T4 T5 e T6 com e sem
adiccedilatildeo de mischmetal (3)
Os niacuteveis experimentais dos fatores investigados concede um planejamento
correspondendo a 2+32+32 = 20 condiccedilotildees experimentais com 3 reacuteplicas para cada
experimento
A resposta checada foi a microdureza Vickers (HV) com a utilizaccedilatildeo da
ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
66
4 RESULTADOS E DISCUSSOtildeES
41 Procedimentos de fundiccedilatildeo
Devido a grande diferenccedila de ponto de fusatildeo e densidade entre o magneacutesio e
as demais mateacuterias-primas aleacutem de o magneacutesio ser considerado combustiacutevel
quando em contato com o ar atmosfeacuterico a temperaturas acima de 100degC foi
necessaacuterio a realizaccedilatildeo de diversas corridas preliminares visando otimizar os
paracircmetros de fundiccedilatildeo da liga no estado semi-soacutelido temperatura maacutexima para
aquecimento da carga pressatildeo na atmosfera de proteccedilatildeo vazatildeo de argocircnio
vaporizaccedilatildeo do Zn eletroliacutetico velocidade e tempos de batimento aleacutem da
temperatura para remoccedilatildeo do batedor o procedimento considerado ideal consistiu
em aquecer inicialmente a carga metaacutelica ateacute 820degC e mantecirc-la por 20 min sob
agitaccedilatildeo mecacircnica visando a fusatildeo mischmetal e a sua incorporaccedilatildeo no banho
fundido A velocidade de rotaccedilatildeo do agitador foi fixada em 600 rpm para todos os
periacuteodos de batimento Em seguida a temperatura foi reduzida sob constante
agitaccedilatildeo mecacircnica ateacute 760degC e mantida nesta temperatura por 1 h Este longo
estaacutegio de batimento a temperatura ainda suficientemente elevada mostrou-se
importante para a dissoluccedilatildeo das partiacuteculas de Zr e sua incorporaccedilatildeo de forma mais
homogecircnea no banho liacutequido a reduccedilatildeo de temperatura para homogeneizaccedilatildeo da
liga tambeacutem contribui para reduzir as perdas de Zn que apresenta elevada pressatildeo
parcial de vapor devido a seu baixo ponto de fusatildeo (420degC) A seguir a temperatura
foi reduzida sob batimento constante ateacute 630degC temperatura na qual o agitador
mecacircnico eacute retirado do metal semissoacutelido Segundo o diagrama de fase binaacuterio Mg-
Zn a 630degC ocorre uma fraccedilatildeo soacutelida de aproximadamente 50 para 6 em peso
de Zn A remoccedilatildeo do batedor a temperaturas abaixo de 630degC e consequentemente
com a presenccedila de fraccedilotildees de soacutelido mais elevadas compromete seriamente a
integridade dos tarugos Finalmente o tarugo eacute retirado do forno a 630degC no estado
de semissoacutelido seguido de resfriamento controlado em aacutegua na temperatura
ambiente ateacute a sua completa solidificaccedilatildeo
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
67
42 Composiccedilatildeo quiacutemica dos tarugos fundidos
As Composiccedilotildees quiacutemicas dos tarugos fundidos foram obtidas no ensaio por
fluorescecircncia FRX no IF Sudeste MG campus de Juiz de Fora instrumento EDX-
8000 conforme Tabela 16 e Tabela 17
Tabela 16 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido com mischmetal
Mg Zn Ce La Nd Mn Pr Zr
92717 5757 0517 0299 0167 0140 0070 0312
Tabela 17 - Composiccedilatildeo quiacutemica do tarugo fundido sem mischmetal
Mg Zn Al Mn Fe Cu Pr Zr
93135 6280 0085 0094 0041 0014 - 0351
Os resultados obtidos estatildeo de acordo com a especificaccedilatildeo ASTM jaacute
mencionada (Referecircncia bibliograacutefica paacutegina 37)
43 Microestruturas como fundida
O batimento mecacircnico durante a solidificaccedilatildeo produz uma microestrutura
homogecircnea formada por uma matriz de gratildeos globulares da fase a α-Mg
apresentando gratildeos de tamanho meacutedio de 100microm de forma heterogecircnea reforccedilada
por uma extensa rede de precipitados ao longo dos contornos de gratildeo oriundos da
segregaccedilatildeo preferencial do Zn e dos elementos RE na fase liacutequida durante o
intervalo de solidificaccedilatildeo
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
68
431 Microestrutura com adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 30 31 e 32 indicam tipo de
gratildeo (MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica
(EDS)
Figura 29 - Imagens a e b ZK60+15MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
As morfologias dos precipitados uma lisa e outra lamelar aparecem na
imagem do MEV Figura 31
Precipitado
s
a)
a) b)
b)
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
69
Figura 31 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK+15 quiacutemica MM como fundida
O EDS Figura 31 com uma micro anaacutelise quiacutemica revelam precipitados com
morfologia lamelar satildeo formados por Zn e Mg os de morfologia lisa conteacutem Ce e La
que apresentam os principais terras raras presentes no mischmetal alem de Zn e
Mg Conforme as Figuras 32 e 33
c)
a) b)
)
Figura 30 - Imagens a b e c liga ZK60+15 MM como fundida obtido por MEV
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
70
Figura 32 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60+15 MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 33 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (aboacutebora) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho) ceacuterio Ce (grenaacute) lantacircnio La (verde claro) Praseodiacutemio Pr (verde) e
zircocircnio Zr (vermelho)
432 Microestrutura sem adiccedilatildeo de mischmetal como fundida
As microestruturas apresentadas nas figuras 34 35 e 36 indicam tipo de gratildeo
(MO) precipitados de contorno de gratildeo (MO e MEV) e microanaacutelise quiacutemica (EDS)
a) b)
c)
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
71
Figura 33 ndash Imagens a e b liga ZK60 sem MM como fundida MO gratildeos de tamanhos heterogecircneos e precipitados de contorno de gratildeo
A morfologia dos precipitados em forma lamelar Mg e Zn aparecem na
imagem do MEV conforme Figura 35
Precipitados
200 microm 20 microm a) b)
a) b)
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
72
Figura 34 - Imagens a b e c liga ZK60 sem MM como fundida MEV
Figura 35 - Mapeamento com EDS imagens a e b apresentando percentual em massa da micro anaacutelise quiacutemica da liga ZK60 sem MM como fundida
c)
a) b)
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
73
Figura 36 - Mapeamento com EDS imagens a b e c apresentando micro anaacutelise quiacutemica liga ZK60 sem MM como fundida
Na micro anaacutelise quiacutemica por espectroscopia de energia dispersiva EDS na
figura 37 b revela que as cores indicadas representam respectivamente os
elementos quiacutemicos magneacutesio Mg (vermelho) zinco Zn (verde claro) oxigecircnio O
(azul marinho)
44 Tratamento teacutermico T6
Com o tratamento teacutermico T6 obtecircm-se melhores propriedades mecacircnicas
das ligas atraveacutes da redistribuiccedilatildeo das fases precipitadas a comparaccedilatildeo dos
resultados obtidos com os da amostra como fundida estatildeo demonstrados pelos
graacuteficos no paraacutegrafo 45 O controle e distribuiccedilatildeo das fases satildeo conseguidos
atraveacutes das variaccedilotildees de temperatura nas etapas de solubilizaccedilatildeo tecircmpera e
a) b)
c)
)
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
74
posterior envelhecimento que pode ser comprovado mediante os resultados de
micro dureza que aumentaram apoacutes o tratamento teacutermico T6
45 Propriedades mecacircnicas
Demonstraccedilatildeo dos resultados obtidos das propriedades mecacircnicas de micro
dureza Vickers meacutedia conforme Figura 38 Figura 39 e Figura 40
O melhor resultado eacute o da figura 38 com o tratamento teacutermico de solubilizaccedilatildeo
a 400degC por 24 horas seguido de envelhecimento a 200degC e 250degC apresentando
um aumento da dureza de 30 para a liga sem MM e de 8 para a liga com MM
quando comparada com as ligas com e sem MM como fundidas
Figura 37 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 400degC por 24 horas
Como Fundida
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
75
Como Fundida COMO FUNDIDA
Figura 38 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 350degC por 24 horas
Figura 39 - Envelhecimento por 12 horas apoacutes solubilizaccedilatildeo agrave 250degC por 24 horas
COMO FUNDIDA
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
76
A anaacutelise estatiacutestica dos resultados de micro dureza Vickers foram realizados
com a utilizaccedilatildeo da ferramenta ANOVA auxiliado com Software Minitab com os
dados obtidos nas mediccedilotildees de todas as amostras As varaacuteveis para cada processo
foram identificadas conforme Tabela 18 perfazendo um total de 20 processos
diferentes com 3 replicas para cada gerando desta forma 60 condiccedilotildees
experimentais
Tabela 18 - Condiccedilotildees dos processos
PROCESSOS CONDICcedilOtildeES
Fundcom Como fundida com MM
Fundsem Como fundida sem MM
Proc1 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc2 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc3 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12hcom MM
Proc4 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc5 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc6 Solubilizado a 400ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc7 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc8 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12hsem MM
Proc9 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc10 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc11 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc12 Solubilizado a 350ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
Proc13 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h com MM
Proc14 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 150ordmC12h sem MM
Proc15 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h com MM
Proc16 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 200ordmC12h sem MM
Proc17 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h com MM
Proc18 Solubilizado a 250ordmC24h e envelhecido a 250ordmC12h sem MM
A tabela a seguir Tabela 19 o SSTotal eacute a soma dos quadrados de todos os
valores de durezas medido o SSA eacute a soma dos quadrados das medidas de dureza
para todos os processos SSerro eacute o erro embutido na soma total o GL eacute o grau de
liberdade para cada variaacutevel MSS eacute a media da soma dos quadrados Fcal eacute o valor
calculado e Ftab eacute o valor tabelado para a distribuiccedilatildeo de Fisher de acordo com o
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
77
niacutevel de confiabilidade e os graus de liberdade da variaacutevel e do erro A anaacutelise de
variacircncia com niacutevel de confiabilidade de 95 mostrar que o tratamento teacutermico T6
tem influecircncia na dureza
Tabela 19 - Anaacutelise da variacircncia dados Anova pelo Software Minitab
Na tabela 19 como foi encontrado Fcal gt Ftab conclui-se que o tratamento
teacutermico T6 influecircncia na micro dureza Vickers(HV)
Dados inseridos no Software Minitab para anaacutelise da variacircncia pela Anova
Figura 41
SS GL MSS Fcal Ftab Conclusatildeo SSA 17876 19 941 488 185 Influencia SSerro 7705 40 193 - - - SSTotal 25581 59 - - - -
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
78
Figura 40 - Dados de micro dureza Vickers para Minitab
Abaixo satildeo apresentados os resultados obtidos atraveacutes do Software Minitab
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
79
A anaacutelise da variacircncia com a metodologia Anova pelo Software Minitab revela
que os melhores tratamentos teacutermicos satildeo para os processo 3 4 e 5 pois trata-se
de solubilizaccedilatildeo a 400ordfC e envelhecimento a 200ordmC e 250ordmC com e sem adiccedilatildeo de
mischmetal
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
80
5 CONCLUSAtildeO
Com o estudo do efeito da adiccedilatildeo de terras raras 15 em peso na liga de
magneacutesio ZK-60 fundida no estado semi-soacutelido por meio do tratamento teacutermico T6 e
ensaios realizados eacute possiacutevel obter as seguintes conclusotildees
Obteve-se tarugos fundidos com composiccedilatildeo quiacutemica homogecircnea livres de
rechupes defeitos e oxidaccedilatildeo interna A microestrutura bruta de solidificaccedilatildeo eacute
caracterizada por uma matriz de gratildeos globulares de αMg reforccedilada por uma rede
de precipitados dos tipos MgZn MgZnRE e MgRE situados nos contornos de gratildeo
Apoacutes vaacuterios tratamentos teacutermicos T6 seguido de ensaio de micro dureza HV revela
que a melhor opccedilatildeo eacute a solubilizaccedilatildeo de 24 horas a 400ordmC seguido de
envelhecimento de 12 horas a 200ordmC e 250ordmC para a liga ZK-60 com e sem adiccedilatildeo
de RE que possibilitou um aumento percentual na dureza de 30 para a liga sem
RE e de 85 com RE na temperatura ambiente quando comparada no estado de
como fundida que eacute justificado pela precipitaccedilatildeo de partiacuteculas nanomeacutetricas
dispersas de forma homogecircnea no interior dos gratildeos
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
81
6 TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros uma vez que natildeo foram possiacuteveis de realizar no
decorrer deste trabalho sugiro
1 - Ensaios de traccedilatildeo para diferentes tratamentos teacutermicos de forma obter o
restante de informaccedilotildees dos efeitos dos tratamentos teacutermicos aplicados nas
propriedades
2 - Estudo do envelhecimento utilizando diferentes patamares de temperaturas onde
objetiva obter tempos menores de tratamentos teacutermicos associado a melhores
resultados de resistecircncia a traccedilatildeo e ductibilidade
3 - Repetir os mesmos ciclos de tratamentos teacutermicos e ensaios realizados neste
trabalho em uma liga com adiccedilatildeo de 25RE que apresenta fases intermetaacutelicas
de RE maior que com 15RE
4 - Ensaio comparativo de resistecircncia a corrosatildeo da liga ZK60 como fundida com e
sem adiccedilatildeo de 15RE
5 ndash Ensaio de fluecircncia comparativo da liga ZK60 como fundida com e sem adiccedilatildeo
de 15RE
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
82
7 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
ABM Associaccedilatildeo Brasileira de Metalurgia 11ordm Seminaacuterio de metais natildeo ferrosos ndash
SP ndash Setembro 2009
ASM Metals Handbook Properties and Selection nonferrous Alloy and special
purpose materials V02 10th edition 1992
ASM Metals Handbook Forming and Forging V14 10th Edition 1999 Association
I M (2015) ldquoMagnesium ndash Physical Propertiesrdquo International Magnesium
Association Uacuteltimo acesso 19012015 Disponiacutevel em
httpwwwintlmagorgphysicalhtml
ASTM ndash B557 (2003) e B93B93M-09 Standard Test Methods of tesion Wrought
and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products
AVEDESIAN MM BAKER H Magnesium alloy ASM International Ohio USA
1999
BARBOSA C Metais natildeo Ferrosos e suas ligas Microestrutura Propriedades e
Aplicaccedilotildees Editora E-Papers Rio de Janeiro 1ordf ediccedilatildeo 2014 PP 413-423
BROOKS C R (1982) ldquoHeat treatment Structure and Properties of Non-ferrous
Alloyrdquo
CALLISTER W Fundamentos da Ciecircncia e Engenharia de Materiais - Uma
Abordagem Integrada - 4ordf Ediccedilatildeo LTC 2014
DAYU SHU QIANG CHEN ZUDE ZHAO ZHIXIANG ZHAO YANBIN WANGA
BAOGUO YUAN Microstructure development and tensile mechanical
properties of MgndashZnndashREndash Zr magnesium alloy Materials and Design 40
488ndash496ndash2012
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
83
DIEGO CUNHA MALAGUETA H V d M (2003) ldquo O Desafio da Reciclagem de
Plaacutesticos Automotivosrdquo Ultimo acesso 12012015 Disponiacutevel em
httpwwwcetemgovbrpublicaccedilaoserie_anais_XI_jic_200307_Diego_Cunha_JIC_2003pdf
ELEKTRON M (2015) ldquoService amp Innovation in MagnesiumrdquoUltimo acesso em
19012015 Disponiacutevel emhttpwwwmagnesium-elektroncomabout
magnesiumaspID=1
ELEMENTS W (2015) ldquoMagnesium Uacuteltimo acesso 19012015rdquo Disponiacutevel em
httpwwwwebelementscomwebelementselementstextMgindexhtml
FERRI THIAGO VIEIRA Caracterizaccedilatildeo Mecacircnica da liga de Magneacutesio ZAXL05413
para aplicaccedilatildeo no processo de injeccedilatildeo sob Pressatildeo 140P Dissertaccedilatildeo
(Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia Metaluacutergica e de Materiais
Universidade Federal do Rio Grande Sul ndash UFRG ndash 2008
FIERN (1998) ldquoPLANO DIRETOR DE IMPLANTACcedilAtildeO DO POacuteLO GAacuteZ-SAL-
SUMAacuteRIO EXECUTIVOrdquo Uacuteltimo acesso 19022015 Disponiacutevel em
ttphswwwgooglecombrgws_rd=sslq=FIERN+(1998)+22PLANO+DIRETOR+
DE+IMPLANTAC387C383O+DO+POLO+GC381S-SAL-SUMC3
FRIEDRICH H E MODIKE B L Magnesium Technology Metallurgy Design data
Aplications (Springer Berlin) - 2006
HU YAO-BO WANG JING-FENG GAO SHAN ZHAO LIANG LIANG HAO PAN
FUSHENG Effects of Y on mechanical properties and damping capacity of
ZK60 magnesium alloys Trans Nonferrous Met Soc Chine 20 s366
HUSKY (2004) Thixomolding Fundiccedilatildeo e Serviccedilos 50-58
httpptscribdcomdoc52068030ALUMINIO-E-SUAS-LIGAS Visualizado em
20012015
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
84
httpwwwglobalstcombrbvgen_mec13pdf Visualizado em 20012015
JING SANG YUANYUAN LI ZHIXIN KANG XIAOMING LAI Fabrication of
hydrophobicsuper-hydrophobic nanofilms on magnesium alloys by polymer
plating Thin Solid Films 520 800ndash806 ndash 2011
JOURNAL ELSEVIER 2011 YP REN Y GUO D CHEN S LI WL PEI GW
QIN
K U KAINER F v B (2003) Magnesium Alloy and Technology The Current State
Of Technology and Potential for further Development of Magnesium
Applications
LU Y Q WANG et al (1999) ldquoEffects of rare earths on the microstructure
properties and fracture behavior of Mg-Al alloysrdquo Materials Science and
Engineering A 278(1-2) 66-76
Ma S A Methodology to Predict the Effects of Quench Rates on Mechanical
Properties of Cast Aluminum Society for Metals
MORDIKE B L AND T EBERT (2001) ldquoMagnesium properties -- applications ndash
potentialrdquo Materials Science and Engineering A 302(1) 37-54
NONFERROUS K t M (2015) ldquoMagnesium and Magnesium Alloyrdquo Ultimo acesso
em 11012015 Disponiacutevel em httpwwwkey-to-
nonferrouscomdejaultaspxID=CheckArticleampNM=138
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 - 2002
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
85
PINTO HAROLDO CAVALCANTI Desenvolvimento para o processo de Tixofundi-
ccedilatildeo liga de magneacutesio ZK-60-RE Fundaccedilatildeo de Amparo agrave Pesquisa do Estado
de Satildeo Paulo FAPESP-2011
PEacuteREZ-PRADO MT RUANO O A Texture evolution during annealing of
Magnesium AZ-31 alloy Scripta Materialia 46 149-155 ndash 2002
REVISTA DO ALUMIacuteNIO 1ordm trimestre 2007 tiacutetulo a FUNDICcedilAtildeO DO FUTURO
R FINK O F SCHORNDORF (2003) Die Casting Magnesium Weinheim WILEY-
VCH Verlag GmbH amp Co KG aA
ROCHA WX (1999) ldquoGrupo IIA ndash Metais Alcalinos- terrosos Beriacutelio
Magneacutesio Caacutelcio Estroncio BaacuteriordquoQuimica 2000 Ultimo acesso
20022015Disponiacutevel em
httpwwwoocitiesorgviennachoir9201grupo_IIAhtm
ROKHLIN L L (2003) Magnesium Alloy Containing Rare Earth Metals ndashStructure
and Properties London Taylor amp Francis
SAKKINEN J D (1994) ldquoPhysical metallurgy of magnesium die cast alloyrdquo
Society of Automotive Engineers ndash SAE Technical Papers 940779 71-82
SCHAEFER S (2015) ldquoMetais alcalinos terrosos ndash Magneacutesio umlrdquo Tabela Perioacutedica
online Uacuteltimo acesso 18012015 Disponiacutevel em
httpwwwtabelaoxigeniocommetais_alcalinos_terrososelementos_quimico_magn
eacutesiohtm
SILVA ERENILTON PEREIRA Fundiccedilatildeo no estado semi-soacutelido de liga ultra leve
de magneacutesio ZK60 com adiccedilatildeo de terras raras USP-EESC
SMITH WF Fundamentos de Engenharia e Ciecircncia dos Materiais 2012 McGraw-
Hill)
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier
86
STREET AC (1986) The Diecasting Book Great Britain Portcullis Press
Limited
SWIOSTEK J GOKEN J LETZIG D KANIER KU Hydrostatic extrusion of
Commercial magnesium alloy a100degC and its influence on grain refinement
and mechanical properties Materials Science and Engineering A 424 pg
223-229 2006
TAKUDA H Fujimoto H Hatta N Modeling on Flow stress of Mg- Al-Zn Alloys at
elevated temperatures
WANG Y Q WANG et al (2003) ldquoEffects of Zn and RE additions on the
solidification behavior of Mg-9Al magneacutesium alloyrdquo Materials Science and
Engineering A 342(1-2) 178-182
WATARI H (2006) Trend of rescarch and development for magnesium alloys-
reducing the weigth of structural materials in motor vehicles Science and
Technology trends 1884-97
ZHANG Z A Couture et al (1998) ldquoAn investigation of the properties o Mg-Zn-Al
alloysrdquoScripta Materalia 39(1)45-53
ZOLOTOREVSKY VS NA BELOV e MV GLAZOFF Casting Aluminum Alloys
2007 Elsevier