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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
PPMEC
Rogério do Rosário Braga
“ESTUDO DO EFEITO DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NA LIGA DE
MAGNÉSIO AM60 FUNDIDA SOB PRESSÃO”
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Ribeiro Sabariz
Dissertação para obtenção do título de Mestre em Engenharia
São João Del Rei
27 de março de 2015
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Rogério do Rosário Braga
“ESTUDO DO EFEITO DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NA LIGA DE
MAGNÉSIO AM60 FUNDIDA SOB PRESSÃO”
Dissertação de mestrado sob a orientação do Professor Doutor Antônio Luiz Ribeiro Sabariz, do
departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João Del-Rei, pelo aluno
Rogério do Rosário Braga, do curso de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Mecânica,
turma 2012/15.
SÃO JOÃO DEL REI/ 27 de março de 2015
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AGRADECIMENTOS
- À Deus pela vida.
- À minha família, principalmente esposa Ercília e filho Mateus, pela compreensão de minha
ausência.
- Ao Prof. Dr. Antônio Luiz Ribeiro Sabariz, por acreditar em nosso potencial, pela grande
ajuda e ensinamentos.
- Ao Prof. Dr. Durval Uchôas Braga pela ajuda na pesquisa.
- Ao Prof. Dr. Artur Mariano de Souza Malafaia, pela compreensão.
- À Prof(a). Dra Roseli Marins Balestra e ao Prof. Dr Alexandre Carlos Eduardo pela grande
contribuição técnica.
- Ao Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão, coordenador do PPMEC pela preciosa assistência.
- À CAPES e à UFSJ pelo apoio financeiro.
- À empresa RIMA, pelo fornecimento do material.
- Aos técnicos dos laboratórios da UFSJ, Francisco, Emílio, Camilo e Luis, pela colaboração
técnica e experimental.
- Aos alunos do PET-DEMEC: Henrique, Vítor, Francis, Ana Maria, Marina, Sthefanie e
Lucas, pela preciosa ajuda.
- Aos alunos do programa de Pós-Graduação pela ajuda mútua nos ensaios, resultados,
discussões e dedicação.
A todos que contribuíram direta e indiretamente neste trabalho, os meus sinceros
reconhecimentos. Muito obrigado.
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EPÍGRAFE
“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o
alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis.” (José de Alencar)
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RESUMO
O interesse das indústrias automobilística, aeroespacial e microeletrônica no desenvolvimento de
novas ligas metálicas leves vem aumentando nos últimos anos, pelo interesse em resistência
mecânica e redução de peso, o que implica em sensíveis diminuições de consumo de
combustível, principalmente na indústria automotiva. Isto é devido às excelentes propriedades
tais como a baixa densidade. Ao mesmo tempo existe uma gestão ambiental mais efetiva no
controle das emissões gasosas e processos de produção industrial, fazendo pressão frente às
indústrias e com isto colocando o Magnésio e sus ligas como uma alternativa de grande interesse,
mais precisamente na indústria automobilística porque o magnésio apresenta entre os metais
estruturais o que tem a melhor relação peso/resistência. A utilização do magnésio ligado ao
alumínio e a outros elementos permite melhorar algumas propriedades mecânicas. Muitas ligas
de magnésio vem sendo estudadas nos últimos anos, em alta escala, porém algumas não
oferecem estabilidade a altas temperaturas devido a sua baixa resistência à fluência. Isso se deve
ao enfraquecimento do contorno de grão a partir de precipitação descontínua da fase β-Mg17Al12.
Entretanto há poucos estudos sobre ligas de magnésio que relacionam a influência das variáveis
de solidificação na formação da microestrutura e as propriedades mecânicas, isto se deve ao fato
do magnésio ser de difícil fusão, já que na presença de oxigênio, a liga de magnésio entra em
combustão.
Neste trabalho realizou-se um estudo da liga de magnésio AM60 no que diz respeito à
microdureza e microestrutura através de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento.
As temperaturas de solubilização foram 350ºC, 400ºC e 450ºC durante 24 horas, e foram
analisadas as durezas encontradas e a partir da maior dureza na solubilização realizou-se o
envelhecimento nas temperaturas 150ºC, 200ºC e 250ºC durante os tempos de 6 horas e 12 horas,
obtendo os valores das durezas no envelhecimento onde verificou-se que os tratamentos térmicos
influenciam na dureza da liga AM60.
Palavras chaves: Ligas de Magnésio, Microdureza, Microestrutura, Solubilização,
Envelhecimento.
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ABSTRACT
The interest of the automotive, aerospace and microelectronics industries in developing new light
alloys has increased in recent years, the interest in mechanical strength and weight reduction:
which implies sensitive fuel consumption decreases, especially in the automotive industry; This
is due to excellent properties such as low density. At the same time there is a more effective
environmental management in the control of gaseous emissions and industrial production
processes, pressing forward to industries and thus putting the Magnesium and its alloys as an
alternative of great interest, specifically the automobiística industry, because magnesium
presents among structural metals which has the best weight / resistance. The use of aluminum
and magnesium bonded to other elements improves certain mechanical properties. Many
magnesium alloys have been studied in recent years, in large scale, but some do not offer
stability at high temperatures due to its low creep resistance. This is due to the weakening of the
grain boundary from discontinuous precipitation of the β-phase Mg17Al12.
However, few studies on magnesium alloys that relate the influence of solidification variables in
the formation of the microstructure and mechanical properties; this is due to the fact that
magnesium is difficult merger, since the magnesium alloy the presence of oxygen is combusted.
In this work is an AM60 magnesium alloy of study in regards to hardness and microstructure
through heat treatment of Solubilization and Aging. As solubilization temperatures were 350
degrees, 400 degrees and 450 degrees for 24 h, and were analyzed found hardnesses and from
greater hardness held in solubilizing aging at temperatures 150 degrees, 200 degrees and 250
degrees during the time of 6h and 12h, obtaining the values of hardness in the aging found that
where the thermal influence on the hardness of the alloy AM60.
Key words: Mg alloys, Hardness, Microstructure, Solubilization, Aging.
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO............................................................................................................................15
1.1. Objetivos............................................................................................................................16
REVISÃO DE LITERATURA.....................................................................................................18
2.1. Magnésio...........................................................................................................................18
2.1.1. História.......................................................................................................................18
2.1.2. Uma visão histórica....................................................................................................19
2.1.3. Propriedades gerais.....................................................................................................20
2.2. Ligas de Magnésio............................................................................................................21
2.2.1. Caracterização.............................................................................................................21
2.2.2. Processamento das ligas de magnésio.........................................................................25
2.2.3. Classificação das ligas de magnésio...........................................................................25
2.2.4. Tipos de ligas de magnésio.........................................................................................27
2.2.4.1. Ligas Mg-Al...........................................................................................................27
2.2.4.2. Ligas Mg-Al-Zn.....................................................................................................27
2.2.4.3. Ligas Mg-Zn-Zr.....................................................................................................28
2.2.4.4. Ligas Mg-Zn-TR-Zr...............................................................................................28
2.2.4.5. Ligas para altas temperaturas.................................................................................28
2.2.5. Aplicações das ligas de magnésio...............................................................................29
2.3. Ligas AM50 e AM60.......................................................................................................32
2.4. Tratamentos térmicos das ligas de magnésio...................................................................38
2.4.1. Tratamentos térmicos aplicáveis às ligas de magnésio série AM...............................42
10
2.5. Fundição sob Pressão.......................................................................................................43
2.6. Expectativas na tecnologia do magnésio........................................................................47
2.7. Aplicação do Mg e suas ligas na indústria automobilística............................................49
2.8. Dificuldades tecnológicas e soluções para aplicações do Mg e suas ligas no setor
automobilístico................................................................................................................58
MATERIAIS E MÉTODOS..........................................................................................................61
3.1. Introdução........................................................................................................................61
3.2. Tratamentos térmicos.......................................................................................................61
3.3. Ensaio de dureza..............................................................................................................62
3.4. Análise metalográfica......................................................................................................63
3.5. Planejamento de Experimentos........................................................................................64
RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................................65
4.1. Análise química...............................................................................................................65
4.2. Análise metalográfica......................................................................................................66
4.3. Efeito dos tratamentos térmicos.......................................................................................68
4.3.1. Efeito da Solubilização...............................................................................................68
4.3.2. Efeito do Envelhecimento...........................................................................................72
4.4. Análise dos resultados......................................................................................................76
CONCLUSÕES.............................................................................................................................79
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS........................................................................81
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................................82
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Exemplos de componentes produzidos em ligas de magnésio ..........................29-30
Figura 2.2 – Representação da ampla aplicação das ligas de Mg nos automóveis .....................31
Figura 2.3 – Diagrama de fases Mg-Al em equilíbrio ................................................................32
Figura 2.4 – Ampliação da região que compõe as ligas AM50 e AM60.....................................33
Figura 2.5 – Esquema do endurecimento por precipitação..........................................................43
Figura 2.6 – Representação do processo de fundição sob pressão em câmara quente ...............45
Figura 2.7 – Estrutura bruta de solidificação da liga AM60 fundida sob pressão ......................46
Figura 2.8 – Microscopia ótica da liga AM60 na condição de fundida ......................................46
Figura 2.9 – Direções dos desenvolvimentos das ligas de magnésio de acordo com as exigências
de trabalho ................................................................................................................48
Figura 2.10 – Requisitos básicos para os componentes dos veículos ...........................................49
Figura 2.11 – Relação entre massa do veículo e consumo de combustível ..................................50
Figura 2.12 – Alterações nos preços do Magnésio e Alumínio ....................................................52
Figura 2.13 – Utilização do magnésio nos veículos da América do Norte ...................................57
Figura 2.14 - Alguns componentes do automóvel e a redução de peso obtida. ............................58
Figura 3.1 - Cálculo da dureza Vickers (HV) .............................................................................63
Figura 3.2 - Exemplo da medição das diagonais d1 e d2 dos ensaios de dureza vickers .............63
Figura 4.1 - Microscopia ótica da liga AM60 como recebida......................................................66
12
Figura 4.2 - Imagem do MEV da liga AM60 como recebida.......................................................67
Figura 4.3 - Imagem da espectrometria da liga AM60 como recebida.........................................67
Figura 4.4 - Microscopia ótica da liga AM60 solubilizada a 400ºC durante 24 horas.................69
Figura 4.5 - Imagem do MEV da liga AM60 solubilizada a 400ºC durante 24 horas..................70
Figura 4.6 - Imagem da espectrometria da liga AM60 solubilizada a 400ºC/24h........................70
Figura 4.7 - Microscopia ótica da liga AM60 envelhecida a 200ºC durante 6 horas...................73
Figura 4.8 - Imagem do MEV da liga AM60 envelhecida a 200ºC durante 6 horas....................74
Figura 4.9 - Imagem da espectrometria da liga AM60 envelhecida a 200ºC/6h..........................74
Figura 4.10 - Microscopia ótica da liga AM60 envelhecida a 150ºC durante 12 horas...............75
Figura 4.11 - Imagem do MEV da liga AM60 envelhecida a 150ºC durante 12 horas................75
Figura 4.12 - Imagem da espectrometria da liga AM60 envelhecida a 150ºC/12h......................76
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Propriedades físicas do Mg.......................................................................................21
Tabela 2.2 – Ligas de magnésio comuns e sua aplicações............................................................23
Tabela 2.3 – Principais elementos de liga......................................................................................25
Tabela 2.4 – Comparação Mg, Al e Fe..........................................................................................34
Tabela 2.5 – Composição limite das ligas de magnésio AM60A e AM60B.................................35
Tabela 2.6 - Propriedades Mecânicas das ligas de magnésio AM60A e AM60B........................35
Tabela 2.7 - Componentes de ligas de magnésio e aplicações nos vários modelos de
Automóveis................................................................................................................59
Tabela 3.1 – Temperaturas e tempos de solubilização e envelhecimento dos tratamentos
térmicos.....................................................................................................................61
Tabela 3.2 – Composição química da liga AM60 (%em peso), segundo ASTM..........................62
Tabela 4.1 – Composição química da liga AM60 utilizada...........................................................65
Tabela 4.2 – Dureza vickers das amostras de AM60 solubilizadas...............................................71
Tabela 4.3 – Dureza vickers das amostras de AM60 envelhecidas...............................................72
Tabela 4.4 – Medidas da dureza vickers (HV) das amostras da liga AM60 envelhecidas............77
Tabela 4.5 – Análise de variância..................................................................................................78
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Al – Alumínio
AM50 – Liga de Mg contendo 5% de Al e menos de 1% de Mn
AM60 – Liga de Mg contendo 6% de Al e menos de 1% de Mn
ASM – Sociedade Americana de Metais
ASTM – Sociedade Americana de testes de Metais
Be – Berílio
Ca - Cálcio
cm² - centímetros quadrados
cm³ - centímetros cúbicos
CO2 – Dióxido de Carbono
Cu – Cobre
EDX – Ensaio de Difração de Raio-X
Eccj - Centro de Conservação do Japão
Fe – Ferro
g- grama
GPa – Giga Pascal
HgO – óxido de Mercúrio
Kg – quilograma
L – l – litro
MPa – Mega Pascal
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Mg – Magnésio
máx. – máximo
mín. – mínimo
mm – milímetro
Mn – Manganês
MgO – Óxido de Manganês
MgCl2 – Cloreto de Magnésio
Mg3N2 – Nitreto de Magnésio
MgO.CaO – Minério Dolomita Calcinada
MgSO4 – Sulfato de Magnésio
Ni – Níquel
SEM – MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura
Si – Silício
Sr – Estrôncio
TR – Terras Raras
Zr - Zircônio
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1. INTRODUÇÃO
A preocupação mundial referente às questões ambientais tem conduzido à busca por
soluções que permitam reduzir o consumo de combustíveis e a conseqüente emissão de gases
poluentes pelos meios de transporte. Algumas possibilidades incluem a utilização de fontes
renováveis, melhorias na eficiência dos motores e na aerodinâmica e redução do peso, sendo esta
última uma excelente opção de custo-benefício. A redução do peso das estruturas está
diretamente relacionada à utilização de materiais leves que apresentem uma alta resistência
específica. As ligas de Alumínio (Al) e de magnésio (Mg) se apresentam como opções naturais
em função dos baixos valores de densidade, além de apresentarem excelente usinabilidade e
possibilidade de reciclagem (AGHION, BRONFIN; ELIEZERB, 2001).
O magnésio e suas ligas é uma alternativa de grande interesse, mais precisamente na
indústria automobilística, por apresentar entre os metais estruturais o que tem a melhor relação
peso/resistência. A utilização do magnésio ligado ao alumínio e a outros elementos permite
melhorar algumas propriedades mecânicas. Dentre estes materiais, podem ser destacadas as ligas
Mg-Al-X; onde X é um elemento de liga; que apresentam melhoras significativas nas
propriedades gerais das ligas de Mg. A composição química constitui a principal diferença entre
as ligas, neste caso a liga AM60 possui teor de alumínio de aproximadamente 6% e teor de
manganês menor que 1%, sendo produzida por Fundição sob Pressão ou HPDC (High Pressure
Die Casting) (KAINER. 2003).
Muitas ligas de magnésio vem sendo estudadas nos últimos anos, em alta escala, porém
algumas não oferecem estabilidade a altas temperaturas, devido à precipitação descontínua da
fase β-Mg17Al12 de baixo ponto de fusão, ocasionando o enfraquecimento do contorno de grão
(MORENO, 2003). Encontramos trabalhos que correlacionam os parâmetros de solidificação
com as propriedades mecânicas para ligas convencionais como aços, ligas de cobre e ligas de
alumínio.Entretanto, há poucos estudos sobre ligas de magnésio que relacionam a influência das
variáveis de solidificação na formação da microestrutura e as propriedades mecânicas. Essa
pouca informação sobre as ligas de magnésio se deve ao fato do magnésio ser de difícil fusão, já
que na fusão com presença de oxigênio, a liga de magnésio entra em combustão (SHIN, WANG,
2004).
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Hoje em dia, a maioria das ligas de magnésio comerciais baseiam-se no sistema
magnésio-alumínio. As ligas de Mg-Al em comparação com outras ligas de magnésio disponível,
são relativamente baratas Elas exibem excelente moldabilidade, resistência à corrosão e
resistência à temperatura ambiente. Embora as ligas de magnésio com alumínio possuírem boas
propriedades mecânicas, sistemas ternários com zinco ou manganês são utilizados para a
melhoria de outras propriedades. Zinco (ligas tipo AZ) é adicionado para fluidez; enquanto
manganês (ligas tipo AM) é adicionado para controlar o comportamento de corrosão. Entre as
ligas utilizadas, AZ91 e AM60 dominam (ZYDEK, BRASZCZYŃSKA-MALIK, 2012).
Algumas propriedades mecânicas das ligas de magnésio podem ser incrementadas com
tratamento térmico adequado gerando, assim, uma condição para credenciar as ligas de magnésio
como substitutas das ligas ferrosas e/ou ligas de alumínio.
O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo da liga de magnésio AM60,
fundida sob pressão, analisando a influência dos tratamentos térmicos de solubilização e de
envelhecimento na microdureza da liga, através do ensaio de microdureza Vickers e análise da
microestrutura das amostras.
Este trabalho foi realizado por meio da parceria da UFSJ com a empresa RIMA, situada
na cidade de Bocaiúva que forneceu a liga, que é utilizada para a fabricação de volantes para
vários clientes do setor automotivo.
1.1.Objetivos
O interesse das indústrias automobilística, aeroespacial e microeletrônica no
desenvolvimento de novas ligas metálicas leves vem aumentando nos últimos anos, pelo
interesse em resistência mecânica e redução de peso, o que implica em sensíveis diminuições de
consumo de combustível, principalmente na indústria automotiva, isto é devido às suas
excelentes propriedades tais como a baixa densidade. Ao mesmo tempo existe uma gestão
ambiental mais efetiva no controle das emissões gasosas e processos de produção industrial,
18
fazendo pressão frente às indústrias e com isso colocando o magnésio e suas ligas como uma
alternativa de grande interesse.
O principal objetivo deste trabalho foi caracterizar e obter as microdurezas da liga de
magnésio AM60, fundida sob pressão após tratamentos térmicos.
Esta pesquisa justifica-se pelo fato de que se precisa saber como os tratamentos térmicos
influenciam na microdureza da liga de magnésio AM60, material utilizado na indústria
automobilística por ser de baixa densidade quando comparado aos seus concorrentes, como Aço
e Alumínio.
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2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Magnésio:
O magnésio corresponde ao elemento da tabela periódica cujo símbolo químico é o Mg
sendo seu número atômico o 12. Este elemento apresenta um tom prateado no seu estado natural.
Contudo quando em contato com o ar tende a oxidar e a ganhar uma tonalidade mais
acinzentada, devido à formação de uma camada de óxido (MgO), que o protege de posterior
corrosão.
Este elemento pertence ao grupo dos metais alcalinos-terrosos. Devido à sua baixa
densidade é vulgarmente utilizado como componente de ligas leves na indústria automotiva e
aeroespacial.
O magnésio exposto ao ar, quando em contato com uma fonte de ignição, entra em
combustão originando uma forte chama branca. A tentativa de extinção da chama por adição de
água é desaconselhável, uma vez que o magnésio reage fortemente com o vapor de água,
liberando hidrogênio e aumentando assim a intensidade da chama. O magnésio arde mesmo na
ausência de oxigênio, pois reage com o azoto do ar formando nitreto de magnésio, Mg3N2. Para
apagar um fogo de magnésio deve-se recorrer a areia.
2.1.1. História:
A primeira referência conhecida a sais contendo este elemento, data de 1618, em Epsom,
Inglaterra. A investigação de um gosto amargo na água, que levava as vacas daquela zona a
recusarem a bebê-la, conduziu à obtenção de cristais de MgSO4 que se encontravam dissolvidas
na água. Estes cristais foram batizados com o nome de sais de Epsom cuja composição química
era ainda desconhecida na época, e que tiveram bastante aplicação como medicamento para
tratamento de todos os males, incluindo irritações cutâneas e prisão de ventre.
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Em 1755, em Edimburgo na Escócia, Joseph Black identificou pela primeira vez este
elemento. Porém, somente em 1808 Sir Humphry Davy conseguiu isolar uma pequena porção de
magnésio por eletrólise de uma mistura de óxido de magnésio (MgO) e óxido de mercúrio
(HgO). Houve por parte de Davy uma preocupação na escolha do nome do elemento,
designando-o por magnium, evitando atribuir-lhe o nome de magnesium devido à sua
semelhança com manganese (designação inglesa para um outro elemento, o manganês). Contudo,
o nome que prevaleceu foi o de magnésio, pois provinha de um mineral, a magnesite (um
carbonato de magnésio), oriunda de Magnesia, uma região da Grécia antiga.
A produção de uma quantidade razoável de magnésio, que permitiu a descrição das
propriedades deste elemento, foi conseguida através da redução de cloreto de magnésio fundido
com potássio metálico e realizado pela primeira vez pelo cientista francês Bussy em 1831.
Este elemento está ligado de uma forma nefasta à destruição provocada em Londres
durante a 2ª guerra mundial em que milhares de bombas incendiárias, à base de magnésio, foram
lançadas sobre a cidade, provocando incêndios de proporções catastróficas.
2.1.2. Uma visão histórica
Na literatura antiga o termo Elektron é muito usado para as ligas de Magnésio. Onde o
nome elektron é o nome histórico e de propaganda para estas ligas, que foi dado pela companhia
alemã Chemische Fabrik Griesheim - Elektron no ano de 1908. Embora o primeiro sucesso de
aplicação automobilística tenha sido desenvolvido em 1921, o verdadeiro grande passo veio com
o processo de refino, feito com o material ainda em seu estado fundido, em 1923, no que resultou
numa melhora significativa das propriedades metalúrgicas das ligas de magnésio fundido. Desde
então o uso de ligas de magnésio na indústria automotiva cresceu estavelmente. Em 1924, o
magnésio passou a ser utilizado até nas indústrias de caminhões, e desde 1927 na Alemanha as
ligas de magnésio feitas em fundição sob pressão passaram a ser produzidas em massa, numa
série de peças como, por exemplo, disco de rodas, caixas de mudanças, acabamento das caixas
de mudanças etc. No total eram usados por volta de 73,8 kg de magnésio num carro de seis
cilindros e 86,8 kg num de oito cilindros. Paralelamente ao setor de carros de corrida, como por
21
exemplo, a Masserati, que usou num de seus carros vencedores do grande prêmio de Monza de
1930, um número grande de peças de ligas de magnésio tais como manivelas, compressores,
caixas de marchas, tambores de freio, diferenciais, eixos e mais algumas partes menores. Estas
aplicações tiveram sucesso até por volta de 1939, mas depois da Segunda Guerra Mundial, o uso
de ligas de magnésio entrou em declíneo. Este vigorou até por volta do começo dos anos 90 onde
na América do Norte o uso voltou a ter um aumento, devido às pesquisas para a diminuição de
consumo de combustível (BLAWERT et al. 2004, p. 398).
2.1.3. Propriedades gerais:
O magnésio é o 8º elemento mais abundante na natureza, constituindo aproximadamente
2,5% da crosta terrestre. Não surge livre na natureza mas encontra-se na composição de mais de
60 minerais rochosos entre os quais se podem referir a dolomita ou magnesita. Surge também
dissolvida na água do mar, em águas salinas subterrâneas e em leitos salinos. A título de exemplo
pode referir-se que cada metro cúbico de água do mar contém, 0,3% de magnésio (DAVIES,
2003, pp.91,158,159).
A energia necessária para obtenção de magnésio puro é superior à necessária para a
obtenção de outros metais comparáveis, quando calculada em função da massa obtida. No
entanto, tendo em conta a baixa densidade do magnésio, o mesmo cálculo feito com base no
volume de material torna sua obtenção economicamente favorável em relação a outros materiais,
tais como o alumínio e zinco.
O principal processo de produção do magnésio puro é através da eletrólise de cloreto de
magnésio fundido ou de salmouras ricas em sais de magnésio. Existe também a possibilidade de
se obter este elemento com base na redução térmica do óxido de magnésio ou da dolomita
calcinada (MgO.CaO), na presença de FeSi. Pode ser obtido da água do mar, onde se obtém o
magnésio metálico da eletrólise do cloreto de magnésio (MgCl2). A proporção de
produção/matéria-prima é de: para cada tonelada de magnésio produzido são necessários
oitocentas toneladas de água do mar (PEIXOTO, E. M. A., Revista Química nova na escola –
22
Magnésio. Nº 12, 2000. USP, SP). Outra forma de extração do metal é o processo conhecido
como sílico-térmico. Consiste na extração do metal dos óxidos de magnésio oriundos dos
minérios, onde se adiciona um agente redutor tal como o FeSi. O refino é feito em alta
temperatura e baixas pressões (WATARAI, 2006, p. 84).
Entre os maiores produtores mundiais encontra-se os EUA (30%), a Rússia (16%) e o
Canadá (10%) chegando-se a produzir anualmente cerca de 400 mil toneladas. Devido à
diversidade de aplicações deste metal é expectável que em 2010 a sua produção mundial seja de
1 milhão de toneladas por ano.
Além destes métodos tradicionais, o magnésio é um material facilmente reciclável,
característica esta que a possibilidade de grandes reduções de custos na extração e produção
deste material.
Na Tabela 2.1 apresentam-se as principais propriedades do magnésio entre as quais
ressalta, tal qual já foi referido, a sua baixa densidade. Esta característica conjuntamente com sua
abundância natural e baixo custo, tornam o magnésio um material bastante atrativo para
aplicações onde o peso é um fator determinante. No entanto, a alta reatividade química do
magnésio é o fator limitante mais importante à sua utilização extensiva, criando alguns riscos de
segurança relacionados com o manuseamento e transformação do magnésio.
______________________________________________________________________________
Tabela 2.1. Propriedades físicas do Mg
Estrutura cristalina Hexagonal compacta
Densidade a 20ºC 1,74 g/cm³
Módulo de elasticidade 45 Gpa
Ponto de fusão 650ºC
2.2. Ligas de Magnésio
2.2.1. Caracterização
As ligas de magnésio possuem excelentes propriedades, tais como:
23
- alta resistência
- baixa ductilidade
- baixo ponto de fusão
- boa maquinabilidade
- soldável
- boa resistência à corrosão
- boa resistência à fadiga
- alta resistência ao impacto
Os elementos mais comumente utilizados em ligas comerciais de magnésio são o
alumínio, berílio, lítio, zinco e lantanídeos entre outros. A principal característica destas ligas é a
sua baixa densidade. Com efeito estas ligas são as mais leves entre todos os materiais estruturais,
incluindo os mais populares como os aços carbono, ligas de alumínio e ligas de titânio.
Geralmente as ligas de magnésio podem ser classificadas em dois grupos. O primeiro
inclui as ligas contendo entre 2% a 10% de alumínio, combinado com outros elementos num
menor teor como o zinco e o manganês. Estas ligas apresentam grande variedade e baixo preço
e, a baixas temperaturas (até ~ 120ºC) as suas propriedades mecânicas são adequadas. No
segundo grupo considerado incluem-se ligas de magnésio contendo vários elementos de liga
como terras raras, zinco, tório ou prata (exceto alumínio) todas contendo ainda uma pequena
porcentagem de zircônio. Este elemento é essencial já que permite obter um material com
tamanho de grão reduzido e portanto melhores propriedades mecânicas. Estas ligas apresentam
assim melhor comportamento mecânico a altas temperaturas, mas a utilização de elementos de
liga mais caros combinado com tecnologia especializada para o seu fabrico resulta em preços
mais elevados.
Para além dos aspectos referidos, as ligas de magnésio conseguem cumprir muito bem as
propriedades necessárias para a maquinagem, incluindo altas velocidades de corte e também são
soldáveis sob uma atmosfera protetora (gases inertes), como é exemplificado na Tabela 2.2, para
as ligas de fundição mais utilizadas, em que o principal elemento de liga é o alumínio
24
Tabela 2.2. Ligas de magnésio comuns e as suas aplicações ¹
_____________________________________________________________________________________________
Liga Elementos de liga Utilização Propriedades básicas e aplicações
_____________________________________________________________________________________________
AZ91 9%Al, 0,7%Zn, 0,13%Mn Liga de fundição de utilização Boa moldagem, boas propriedades mecânicas
geral a T<150ºC
AM60 6%Al, 0,15%Mn Liga de fundição sob alta Maior tenacidade e ductilidade do que AZ91,
pressão resistência ligeiramente inferior, utilizada em
aplicações estruturais em automóveis
AM50 Sistema Mg-Al Liga de fundição de uso geral Boa resistência, ductilidade, propriedades
de absorção de energia e moldagem
AE44 Sistema terras raras Mg-AL Liga de fundição de uso geral Melhor comportamento de deformação e
moldagem do que a AE42
AE42 4%Al, 2%TR Liga de fundição de uso geral Baixo nível de moldagem, bom
comportamento de deformação
AS41 4,2%Al, 1%Si Liga de fundição de uso geral Melhor resistência à deformação do que a
AZ91 a altas temperaturas mas menor
resistência
ZE41 4,2%Zn, 1,2%TR, 0,7%Zr Liga de fundição especial A adição de TR melhora a resistência da
deformação a altas temperatura. Forte pressão
AZ31 3%Al, 1%Zn, 0,2%Mn Produtos forjados de Mg Liga boa para extrusão
AM20 Sistema Mg-Al Liga de fundição Elevada ductilidade, tenacidade, fraca
moldagem
MRI153M Sistema Mg-Al-Ca-Sr Liga de fundição Para aplicações a altas temperaturas até
150ºC
MRI230D Sistema Mg-Al-Ca-Sr Liga de fundição Para aplicações a altas temperaturas até
190ºC
AS21 Sistema Mg-Al-Si Liga de fundição Para aplicações a altas temperaturas a mais
de 120ºC
AJ62 Sistema Mg-Al-Sr Fundição sob alta pressão Boa resistência mecânica e térmica, fundição
superior, resistência à corrosão e
comportamento de deformação
¹ Adaptado (Davies, 2003, pp 91,158,159); (kuo et al. 2006, pp 670-677); (Garmo, Black,
Kohser,1997, pp 182-184); (Friedrich, 2001, pp 276-208); (Pekguleryuz et al. 2006, pp 32-38);
(Pekguleryuz, Kaya, 2003 ,pp 866-878); (Huang, Guo, Zhang, 2006, pp 363-366); (K.U.Kainer,
2003)
25
Uma outra vantagem das ligas de Mg relativamente a outras ligas metálicas é a sua baixa
temperatura de fusão (da ordem de 650ºC a 680ºC, dependendo da liga), o que implica uma
menor energia necessária para fundir uma liga de magnésio (K.U.Kainer, 2003).
Freqüentemente, as ligas de magnésio têm também de competir com polímeros em
diversos tipos de aplicações mas, em comparação com os plásticos, geralmente apresentam
melhores propriedades mecânicas, uma maior resistência ao envelhecimento, melhor
condutividade elétrica e térmica sendo ainda mais facilmente recicláveis.
No entanto, existem várias desvantagens que limitam uma utilização mais generalizada
deste material. Em termos de comportamento mecânico, a grande desvantagem é o pequeno
número de ligas forjadas disponíveis o que resulta da baixa deformabilidade do magnésio e suas
ligas à temperatura ambiente. Assim para a fabricação de componentes utiliza-se a fundição ou
trabalho a quente a temperaturas entre os 200ºC e 350ºC.
Quimicamente, tal como referido anteriormente, o magnésio e suas ligas são muito
instáveis, e especialmente susceptíveis à corrosão sobretudo em ambientes marinhos. Por outro
lado apresentam uma resistência à corrosão razoável em atmosferas normais. Estes aspectos
combinados ainda com uma baixa resistência à fluência, limitam sua utilização num grande
número de aplicações com requisitos específicos. Existem também algumas preocupações
relacionadas com as ligas de magnésio. Se a parte tecnológica da equação é simples, não existem
ainda implementados circuitos para a recuperação do magnésio nas unidades de produção.
Finalmente, existem algumas questões econômicas a serem consideradas nomeadamente o fato
de existirem poucos fabricantes o que leva a um encarecimento do preço do material final.
26
2.2.2. Processamento das ligas de magnésio
As ligas de magnésio são produzidas por quase todos os métodos convencionais de
fundição, principalmente fundição em areia, injetada e em coquilha; depende do tipo de peça,
aplicação, propriedades da própria liga, etc. Dos métodos citados, a fundição injetada é
responsável por cerca de 90% da produção de ligas de magnésio.
2.2.3. Classificação das ligas de magnésio
Existem vários sistemas de codificação e identificação das ligas de magnésio, embora
nenhum deles seja ainda aceite universalmente. Neste trabalho, a nomenclatura utilizada é a
definida pela ASTM (American Society for Testing and Materials) para as ligas de metais não
ferrosos.
Essa nomenclatura inclui informação sobre a composição da liga e o respectivo
tratamento térmico. As ligas de magnésio classificadas pela ASTM, seguem uma designação
própria, que se pode considerar dividida em quatro partes: a primeira parte da classificação é
composta por duas letras indicando os dois principais elementos de liga. Na tabela 2.3 (ASTM-
B275) são apresentados os principais elementos de liga e as letras através dos quais esses
elementos são designados.
Tabela 2. 3. Principais elementos de liga
A: Alumínio B: Bismuto C:Cobre D:Cádmio E:Terras Raras
F: Ferro G: Magnésio H: Tório K: Zircônio L: Lítio
M: Manganês N: Níquel P: Chumbo Q: Prata R: Cromo
S: Silício T: Estanho W: Ítrio Y: Antimônio Z: Zinco
A segunda parte da classificação é constituída por dois algarismos que indicam a
porcentagem dos dois principais elementos de liga.
A terceira parte da classificação corresponde a uma letra seqüencial, atribuída por ordem
de patente, que permite a diferenciação entre as ligas com o mesmo teor de elementos de liga:
27
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 resistência à corrosão
X1: liga não registrada na ASTM
Finalmente a quarta parte desta classificação identifica o tipo de tratamento térmico ou
mecânico a que a liga foi sujeita:
F: não tratado
O: recozido
H10 e H11: levemente encruado
H23, H24 e H26: encruado e parcialmente recozido
T4: tratamento térmico de solubilização
T5: tratamento térmico de envelhecimento
T6: tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificialmente
T8: tratamento térmico de solubilização, trabalho a frio e envelhecido artificialmente
Os tratamentos designados pela letra “T” têm como objetivo aumentar a resistência
mecânica das ligas de magnésio através de tratamentos térmicos. Este é o processo para o
endurecimento e aumento das propriedades de resistência das ligas para fundição, sendo
designado por endurecimento por precipitação (SMITH, 1998).
O objetivo do endurecimento por precipitação é o de promover a formação de uma
dispersão, densa e fina, de partículas de precipitados numa matriz de metal deformável. As
partículas de precipitados atuam como obstáculos ao movimento das deslocações e, como
conseqüência, aumentam a resistência mecânica da liga tratada termicamente. O processo de
endurecimento por precipitação pode ser explicado recorrendo ao diagrama de fase dos
elementos de liga. Para que uma liga de composição X-Z possa ser endurecida por precipitação é
necessário que a composição da liga permita um tratamento num campo monofásico e que a
28
solubilidade do elemento Z na solução sólida diminua com a diminuição da temperatura
(SMITH, 1998) (HATCH, 1984) (Ma, S. 2006) (SJŐLANDER, SHAHRI 2010, V. 210).
Sendo assim, uma liga de magnésio conhecida e utilizada, designada como AZ91 A-T6,
por exemplo, significa uma liga com 9% de alumínio e 1% de zinco em sua composição.”Ä”
significa que é a primeira liga registrada na ASTM; T6 significa que sofreu tratamento térmico
de solubilização e envelhecimento artificial. O restante do percentual corresponde ao magnésio
(90% de magnésio).
2.2.4. Tipos de ligas de magnésio
2.2.4.1. Ligas Mg-Al
As ligas Mg-Al foram as primeiras a ser desenvolvidas. A adição do Al ao magnésio
permite aumentar a sua resistência mecânica e à corrosão. As ligas AM60 e AM100 são dois
exemplos de ligas mais comercializadas.
2.2.4.2. Ligas Mg-Al-Zn
As ligas de Mg-Al-Zn têm uma importância industrial, pois apresenta uma boca
combinação de baixo peso, resistência mecânica e resistência à corrosão.
A adição do zinco aumenta a resistência desta liga por solução sólida e precipitação. O
aumento do teor deste elemento pode provocar um aumento da microporosidade e da contração
neste tipo de ligas. Estas não são particularmente resistentes ou dúcteis, mas têm baixa densidade
e são relativamente de fácil produção. Têm o inconveniente de não poderem ser aplicadas a uma
temperatura superior a 95ºC. A liga AZ91 é a mais utilizada e é também a que tem maior
produção na fundição injetada.
29
A resistência à corrosão do magnésio em condições normais pode ser melhorada com a
diminuição dos teores de impurezas de ferro, níquel e cobre. Temos como exemplo a liga de alta
pureza AZ91D.
2.2.4.3. Ligas Mg-Zn-Zr
Estas ligas apresentam excelentes propriedades mecânicas, no entanto não têm uma vasta
aplicação devido à sua susceptibilidade à microporosidade durante o vazamento: não são
soldáveis devido à elevada quantidade de zinco (5 a 6%) e sofrem fissuração a quente. O zinco
permite um aumento da resistência da liga, enquanto o zircônio refina o grão.
2.2.4.4. Ligas Mg-Zn-Terras Raras-Zr
Os elementos de terras raras combinados com ligas Mg-Zn-Zr produzem as ligas para
fundição em areia EZ33 e ZE41. Estas ligas têm uma soldabilidade relativamente boa porque o
seu ponto de fusão eutético forma uma cadeia nas ligações dos grãos durante a solidificação na
qual tenderá a diminuir a microporosidade. No entanto, as forças de tensão à temperatura
ambiente das ligas EZ33-T5 e ZE41-T5 são relativamente baixas devido em parte à remoção de
algum Zn da solução sólida para formar as fases estáveis da liga Mg-Zn-Terras Raras nas
ligações do grão. No entanto, as ligas EZ33 e ZE41 têm uma boa resistência à fadiga.
2.2.4.5. Ligas para altas temperaturas
Para aplicações a temperaturas entre 200 e 250ºC foram desenvolvidas as ligas Mg-Ag-
Terras Raras e Mg-Y-Terras Raras. Com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas a
altas temperaturas surgiu a liga QE22A, onde a prata substitui algum zinco e as propriedades
mecânicas são melhoradas pela ação de afinação do grão através do zircônio. A utilização de
ítrio (Y) surge para ultrapassar os problemas inerentes ao tório e à prata. O primeiro causa
problemas ambientais e a prata tem um preço muito instável.
30
Na liga WE54A, o ítrio aparece em quantidades de 5% combinado com o elemento terras
raras. Esta liga tem melhores propriedades a altas temperaturas e tem uma resistência à corrosão
quase tão boa como as ligas de alta pureza do tipo Mg-Al-Zn.
2.2.5. Aplicações das ligas de magnésio
As ligas de magnésio são largamente utilizadas na indústria aeronáutica em componentes
de motores, na fuselagem e em trens de aterrissagem, por exemplo. Encontra aplicação, também,
na indústria automobilística (caixas de engrenagem, rodas, volantes, colunas de direção),
indústria bélica (mísseis) e em alguns componentes eletro-eletrônicos. A figura 2.1 (a,b,c e d)
ilustra alguns exemplos de aplicação das ligas de magnésio.
(a)
31
b) c)
(d)
Figura 2.1: exemplos de componentes produzidos com ligas de magnésio; (a) rodas de
motocicletas, automóveis, pedais de bicicleta e componentes de aviões; (b) e (c) componentes de
rotor de helicóptero; (d) blocos de motor. (adaptado de k.U. Kainer, 2004)
32
A figura 2.2, mostra como os veículos tem uma ampla aplicação das ligas de magnésio,
hoje em dia mais de 60 peças são utilizadas pela indústria automobilística, sendo considerada
cerca de 2,74 kg/ veículo de ligas de magnésio no Brasil, contra 4,4 kg/ veículos no Mercado
Mundial.
Figura 2.2: representação da ampla aplicação das ligas de Mg nos automóveis. (adaptado de
K.U.Kainer, 2004).
O maior mercado de produção de magnésio é para a fundição de componentes de
automóveis, particularmente nos EUA. Um dos objetivos mundiais é a economia de combustível,
particularmente na indústria do automóvel; o modo de alcançar estes objetivos é a produção de
automóveis mais leves, portanto, há um grande interesse da substituição do aço por metais
estruturalmente mais leves (Mg e Al).
A indústria do alumínio foi mais bem sucedida devido em parte, a uma boa resistência à
corrosão e à familiaridade com o seu uso. Contudo em anos recentes o magnésio ganhou
popularidade na medida em que a pureza das ligas foi melhorada, resultando num aumento
33
significativo da resistência à corrosão. Devido à excelente capacidade de fusão das ligas de Mg-
Al, grandes componentes estruturais como moldes de assentos, jantes e painéis de instrumentos
são agora fundidos com sucesso, substituindo freqüentemente certos processos de forjamento.
Outras grandes vantagens da fundição das ligas de magnésio são:
- custos mais reduzidos na maquinagem, relativamente ao alumínio;
- aumento do tempo de vida da ferramenta de fundição, possivelmente maior rapidez na
fundição;
- redução do custo de transporte dos materiais devido à sua menor massa.
2.3. Ligas AM50 e AM60
As ligas AM50 e AM60 são ligas de Magnésio-Alumínio, com 5% e 6% de Al em peso
respectivamente, além de outros elementos de liga, tais como Manganês, Silício e Zinco. O
diagrama de fases em equilíbrio desta liga está apresentado a seguir nas figuras 2.3 e 2.4.
Figura 2.3: Diagrama de fases Mg-Al em equilíbrio (DAHLE et alii, 2001, p. 62).
34
Figura 2.4: Ampliação da região que compõe as ligas AM50 e AM60.
A figura anterior foi utilizada como caráter elucidativo da região do diagrama onde se
situam as composições químicas das ligas Am50 e AM60, respectivamente, em função do teor
do alumínio.
O magnésio apresenta como sua característica mais marcante uma densidade (massa
específica) extremamente baixa, da ordem de 1,74 g/cm³, portanto ainda mais baixa do que a
densidade do alumínio (2,73 g/cm³). Este fato confere às ligas de magnésio elevada razão entre
resistência mecânica e peso (massa), superior à de muitos metais e suas ligas. Se algum
componente estrutural requer rigidez significativa e, simultaneamente, tamanho considerável,
essas características favorecem o uso do magnésio e de suas ligas, justamente por causa desta
elevada razão entre resistência mecânica e peso. Embora as ligas de magnésio possuam tensão
limite de escoamento inferior às de outras ligas, como ligas de alumínio, de titânio, aços
35
inoxidáveis austeníticos e aços de alta resistência mecânica e baixa liga, sua razão
resistência/peso é comparável às das ligas de alumínio e de titânio, e muito superior às dos dois
tipos de aços mencionados. Algumas propriedades estão expostas na tabela 2.4 a seguir, à caráter
de comparação entre o magnésio e outros dois concorrentes no setor metalúrgico, o alumínio e o
ferro.
Tabela 2.4: Comparação: Mg, Al e Fe (adaptado de WATARAI, 2006).
Metal Densidade Ponto Ponto Tensão Alongamento Dureza
Elemento (g/cm³) de de Limite de (%) Brinell
Fusão Ebulição Resistência (HB)
(ºC) (ºC) (MPa)
Mg 1,74 650 1110 98 5 30
Al 2,74 660 2486 88 45 23
Fe 7,86 1535 2754 265 45 67
Nas ligas de magnésio determinados elementos são adicionados com diferentes
propósitos: introduzir endurecimento por solução sólida, melhorar propriedades de resistência à
fluência, promover endurecimento por precipitação ou melhorar a fusibilidade.
A maioria das ligas comerciais de magnésio, tais como AM50, AM60, AZ91 etc., são
baseadas no sistema binário Mg-Al, contendo também como já mencionado, além do alumínio, o
manganês, silício e zinco. Isto permite obter propriedades mecânicas adequadas aos usos na
engenharia. O alumínio, aumenta a dureza e a tensão limite de resistência, e ainda melhora a
fusibilidade da liga. O manganês não altera a tensão limite de resistência, mas faz com que a
tensão limite de escoamento aumente em pequena quantidade. O teor de manganês nas ligas de
magnésio é limitado pela baixa solubilidade do Mn no Mg. É aconselhável que esta quantidade
não exceda 0,3%. A adição de zinco nestas ligas tem por finalidade a combinação com o
alumínio para aumentar o limite de resistência, porém se o teor aumentar muito pode diminuir a
resistência da liga a trincas a quente (KIELBUS et al. 2006, p. 135-136).
36
As principais propriedades da liga fundida de magnésio AM60 segundo ASM
International estão listadas abaixo: AM60A e AM60B
Especificações: ASTM: Fundida sob Pressão (Die casting): B 94
UNS números: AM60A: M10600. AM60B: M10603
German: DIN 1729 3.566
______________________________________________________________________________
Tabela 2.5: Composição limite da AM60A Composição limite da AM60B
______________________________________________________________________________
5,5-6,5% Al 5,5-6,5% Al
0,13% Mn mín. 0,25% Mn mín.
0,50% Si máx. 0,10% Si máx.
0,35% Cu máx. 0,010% Cu máx.
0,22% Zn máx. 0,22% Zn máx.
0,03% Ni máx. 0,002% Ni máx.
0,005% Fe máx.
0,003 % máx. outros (total)
Mg em balanço. Mg em balanço.
Tabela 2.6. Propriedades Mecânicas das ligas de magnésio AM60A e AM60B
______________________________________________________________________________
Tensão de resistência: 220 Mpa Alongamento: 6% em 50mm
Tensão de escoamento: 130 Mpa Coeficiente de Poisson: 0,35
Tensão de escoamento na compressão: 130 Mpa Módulo de elasticidade: 45GPa
Propriedades Térmicas: Temperatura Liquidus: 615ºC
Temperatura Solidus: 540ºC
Características de fabricação: Temperatura de fusão: 650 a 695ºC
Soldabilidade: não soldável
Resistência à corrosão: ASTM B 177 teste de salt spray: AM60B: <0,13 mg/cm²/dia.
______________________________________________________________________________
37
Conseqüência no excesso do limite de impurezas:
- a resistência à corrosão decresce com o incremento de Fe, Cu ou Ni.
A máxima solubilidade do alumínio no magnésio é de 12,7% numa temperatura de
473ºC. A partir deste teor uma fase eutética é observada (Mg + Mg17Al12), ocorrendo até valores
de 42% de Al. Vale lembrar que os teores de alumínio nas ligas comerciais de magnésio não
excedem os 12,7%. A estrutura destas ligas comerciais é caracterizada pela fase em solução
sólida de Mg mais uma fase metaestável onde percebe-se a presença da fase inter-metálica
Mg17Al12 para teores de Al acima de 2% (KIELBUS et al. 2006, p. 135).
A liga em questão permite um bom alongamento e possuem boa fluidez no estado
fundido, isto para o processo HPDC (High Pressure Die Casting) é um fator favorável. É
utilizada na indústria automobilística (rodas, painéis, armações dos bancos e volantes),
aeronáutica e outros setores que permitam utilizar materiais leves e resistentes. A fusibilidade
das ligas da série AM sendo boa permite que se produza peças com geometrias complexas e de
espessuras pequenas. Isto é excelente para o processo HPDC, como já foi mencionado
anteriormente, sendo este processo o principal na fabricação de peças de magnésio (KIELBUS et
al. 2006, p. 135). Para aplicações que demandam boa ductilidade as séries AM são mais
indicadas, enquanto que a liga AZ91 é mais utilizada quando a resistência mecânica é mais
requisitada (CHADIA et al. 2004, p. 181).
Para Yan et al (2006, p. 02) as ligas de magnésio são atrativas para a indústria
automobilística por causa da sua baixa densidade e boa usinabilidade quando comparadas com as
ligas metálicas concorrentes no mercado. Porém as ligas de magnésio possuem baixo módulo de
elasticidade e uma tenacidade limitada devida aos poucos sistemas de deslizamentos de planos
atômicos, por causa do seu sistema cristalográfico hexagonal compacto (HC).
De acordo com El Kadiri et al (2008, p. 190) a redução de peso e consumo de
combustível é fator preponderante atualmente na indústria automobilística. E nesse ponto, as
ligas de alumínio da série 6000 têm sido usadas com sucesso, mas é com as ligas de magnésio
que se espera alcançar o máximo de redução de peso além de poder diminuir também o preço das
38
peças fabricadas com este material. Contudo existem ainda algumas barreiras, por exemplo, sua
baixa resistência à fadiga, além do risco de incêndio durante o processo de fabricação, pelo fato
do magnésio ser muito reativo.
De acordo com o eccj (The Energy Conservation Center, Japan), 60% do consumo de
energia do setor de transporte são destinados ao transporte de passageiros. Levando em conta que
o uso de carros particulares aumentou consideravelmente, isto é um fator relevante no que diz
respeito ao consumo de combustível em todo mundo. Para que se possa reduzir o consumo destas
fontes de energia é necessário reduzir também o peso dos componentes estruturais dos
equipamentos de transporte, principalmente os carros particulares. Num passado recente, as ligas
de magnésio eram utilizadas apenas para a fabricação de alguns componentes eletrônicos ou
automotivos. Mas graças ao desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação, estas ligas
ganharam maiores aplicações no mercado. Em partículas, o magnésio e suas ligas atualmente
podem ser utilizados como componentes estruturais ainda não pensados anteriormente
(WATARAI, 2006, p.84).
WANG et al (2003) pesquisaram a microestrutura da liga de magnésio AM50 fundida
que consistia principalmente das fases αMg, β-Mg17Al12 e Al8Mn5. Dois tipos de partículas β-
Mg17Al12 com tamanhos diferentes foram encontrados com tamanho em torno de mícrons e
também foram encontradas algumas partículas mais finas, com morfologia oval ou semelhante a
hastes, que podem ter sido formadas na solidificação.
No trabalho de YANCY et al (2004) as ligas de magnésio AM50 e AM60 têm a maior
variedade de solidificação e a menor temperatura final de solidificação (às vezes referida como
temperatura de congelamento), onde não há fases precipitadas entre o começo da formação
dendrítica α-Mg e a transformação eutética. A microestrutura contêm α-Mg dendrítico com
alumínio em forma de tubos na região interdendrítica. Na região interdendrítica é formado a fase
β-Mg17Al12 primária que é formada durante a transformação eutética, no resfriamento do lingote,
em regiões ricas em Al.
39
De acordo com YAN et al (2008) a liga de magnésio AM60 (com 6% Al, 0,2% Zn e
0,21% Mn) é uma das ligas de magnésio mais populares e possui grande potencial para
aplicações na indústria automotiva, aeroespacial, comunicação e indústria eletrônica, possui
microestrutura composta da fase αMg matriz e a segunda fase β-Mg17Al12.
Para YANLONG et al (2009) as fases do sistema Al-Mg têm estrita ligação com as
propriedades das ligas da série AM, onde tem sido dada mais atenção à fase β, pois as pesquisas
sobre as fases Al-Mn são muito limitadas, por causa da fase eutética (αMg + β-Mg17Al12) onde
tem sido amplamente observada no sistema Mg-Al e podem afetar a observação e análise das
fases Al-Mn.
ZYDEK et al (2012) encontraram na microestrutura da liga fundida magnésio-alumínio:
uma solução sólida de alumínio no magnésio (αMg) e α+β eutético (onde β é o composto inter-
metálico Mg17Al12). Adicionalmente a presença de manganês provoca a formação de compostos
de Al-Mn, como Al6Mn, Al4Mn e Al8Mn5. A fase Mg17Al12 é incoerente com a matriz de
magnésio e ela existe em uma ampla faixa de composição do Al. Esta fase inter-metálica tem um
ponto de fusão baixo (458ºC), é por isso que a fase β tem fraca estabilidade metalúrgica e pode
contribuir para as pobres propriedades da liga a temperaturas mais altas.
2.4. Tratamentos térmicos das ligas de magnésio
Ligas de magnésio são normalmente tratadas para promover melhorias em suas
propriedades mecânicas ou para garantir a possibilidade de se realizar as operações de fabricação
que a ela será imposta. O tipo de tratamento selecionado dependerá da composição química e da
natureza (endurecível ou não) da liga, e também da aplicação final da peça de magnésio
originada (ASM METALS HANDBOOK, V.04,1992).
Os tratamentos térmicos baseiam-se na variação das solubilidades dos elementos
microestruturais. Como a solubilidade dos elementos aumenta com o aumento da temperatura até
à temperatura de solidus, podemos controlar a solidificação e posterior envelhecimento de forma
40
a controlar a formação e distribuição das fases precipitadas que influenciam as propriedades do
material.
Os tratamentos térmicos mais comuns aplicáveis às ligas de magnésio são a solubilização
e o envelhecimento artificial, quando o objetivo é aumentar as propriedades mecânicas da liga e
o recozimento, o alívio de tensões e a homogeneização, quando se objetiva preparar o metal para
operações posteriores de processamento. Estes tratamentos podem ser combinados com trabalho
mecânico a fim de adquirirem propriedades ou condições especiais no material.
A solubilização é um procedimento térmico que consiste em elevar a temperatura da liga
a valores próximos de sua temperatura de fusão, mantendo a liga neste patamar por tempo apenas
suficiente para uma completa homogeneização da temperatura, fazendo com que as fases
precipitadas na matriz da liga se dissolvam e os elementos ligantes se posicionem em solução
sólida substitucional na rede cristalina do magnésio. Na seqüência, segue-se um resfriamento
brusco em meio líquido (geralmente água), a fim de manter os elementos de liga “congelados”
nas suas posições substitucionais. Este tratamento confere à liga um moderado aumento de
resistência mecânica ao metal, além de garantir uma máxima tenacidade e resistência ao impacto
à liga (ASM METALS HANDBOOK, V.04, 1992).
Algumas ligas, dependendo de seu balanço estequiométrico, podem promover um
endurecimento involuntário algum tempo após a solubilização. Trata-se do chamado
‘envelhecimento natural’ da liga e consiste em uma precipitação de partículas de segunda fase
formada pelos elementos de liga em solução sólida substitucional com alto grau de
metaestabilidade. O nível de tensão microestrutural neste caso é elevado, possibilitando que os
elementos de liga tenham energia o suficiente para se combinarem entre si, mesmo em
temperatura ambiente, promovendo um acréscimo de dureza e resistência mecânica da liga
(SMITH, 1993).
Em geral, o envelhecimento natural, relatado no parágrafo anterior, não ocorre tão
facilmente, ou então, não ocorre com a velocidade e eficiência muitas vezes necessárias para o
processo industrial. Neste caso, o fenômeno relatado é forçado a ocorrer, promovendo-se, para
41
isso, um tratamento térmico chamado “envelhecimento artificial”. Este tratamento consiste em
aquecer a liga solubilizada a temperaturas que podem chegar a 250ºC e manter neste patamar por
tempos relativamente longos. O provimento de energia adicional dado à liga permite que esta
endureça consideravelmente, aumentando também sua resistência mecânica, devido à
precipitação de fases finamente dispersas na matriz de magnésio. Em contrapartida, a liga perde
em termos de resistência ao impacto e tenacidade.
O envelhecimento artificial, quando não precedido da etapa de solubilização, promove
um alívio de tensões no material, o que pode gerar características interessantes no sentido de
aumentar as propriedades mecânicas quando a peça é submetida a esforços trativos (ASM
METALS HANDBOOK, V.04, 1992). O alívio de tensões também pode preceder operações de
usinagem e calibrações mecânicas ou mesmo ser empregado em peças onde a geometria
apresenta cantos e/ou curvas acentuadas.
As ligas deformáveis de magnésio, em diferentes estágios de endurecimento por
deformação, podem ser recozidas quando submetidas a temperaturas entre 290ºC e 455ºC,
dependendo da composição química de cada liga, durante um período de uma ou mais horas. O
recozimento, nestes casos, tem como objetivo proporcionar a maior ductilidade possível à liga.
Em operações de conformação mecânica, como as temperaturas de processo são geralmente
bastante elevadas, a necessidade de se recozer o material é menor do que em outras ligas
metálicas (ASM METAL HANDBOOK, V.04, 1992).
O tratamento térmico de homogeneização é um procedimento necessário principalmente
para lingotes fundidos que serão deformados posteriormente e tem por objetivo eliminar ou
diminuir as fases duras, de alto teor de liga, formadas na etapa de solidificação do metal. Com
este tratamento são ativados os mecanismos de difusão, fazendo com que os elementos
segregados migrem para regiões empobrecidas de elementos de liga, tendendo a homogeneizar o
material.
Durante os tratamentos térmicos das ligas de magnésio, é aconselhável que seja mantido
uma atmosfera inerte no interior das câmaras de aquecimento. Os gases mais comuns utilizados
42
nessa proteção são o hexafluoreto de enxofre, dióxido de enxofre e dióxido de carbono, podendo
ser utilizados também gases inertes, como por exemplo, o argônio (ASM METALS
HANDBOOK, V.04, 1992).
Esta precaução de deve a dois fatores: diminuir a oxidação superficial do material e
impedir qualquer possibilidade de combustão do magnésio em aquecimento. No entanto, em
operações térmicas cujas temperaturas não ultrapassam 400ºC, consideradas relativamente
baixas, é possível se proceder ao aquecimento sem atmosfera protetora. Este é o caso dos
aquecimentos anteriores às operações de conformação mecânica ou tratamentos térmicos menos
severos, como o envelhecimento artificial e o alívio de tensões.
A inflamabilidade do magnésio (característica que faz comum seu uso em fogos de
artifício e artefatos explosivos) é um dos motivos para que sejam tomadas precauções em relação
à exposição deste metal aa temperaturas elevadas Embora as temperaturas praticáveis
industrialmente estejam situadas bem abaixo do ponto de fusão da liga (em torno de 600ºC, para
a maioria das ligas deformáveis) e, portanto, o perigo de incidência de fogo seja reduzido, um
controle adequado da temperatura deve ser imposto, a fim de se evitar superaquecimentos
localizados, gerando combustão. Por este motivo, a uniformidade da temperatura deve ser
monitorada pelo menos em toda a zona final de aquecimento e grandes gradientes de temperatura
devem ser evitados (ASM METALS HANDBOOK, V.04, 1992).
Os fornos com circulador de ar proporcionam um melhor aquecimento uniforme na liga
de magnésio, sendo, portanto, os mais recomendados. Fornos tubulares ou muflas devem ser
evitados, já que deles resultam baixas temperaturas no centro da carga e possivelmente
superaquecimento nas superfícies e arestas expostas. No interior do forno, a carga deve ser
colocada de modo que o ar circule facilmente por toda a câmara, melhorando a uniformidades da
temperatura do material (ASM METALS HANDBOOK, V.04, 1992).
43
2.4.1. Tratamentos térmicos aplicáveis às ligas de magnésio da série AM
Os tratamentos térmicos para as ligas de magnésio serão descritos posteriormente com
suas nomenclaturas e suas atribuições. Habitualmente, vêm sendo utilizados nestes termos para
pesquisa e pela própria indústria (ibidem). São eles:
- Tratamento térmico de Solubilização (T4) – Este tratamento consiste em solubilizar os
elementos de liga na matriz do magnésio, resfriando-se rapidamente na seqüência. Este
procedimento provoca um aumento da resistência à tração, da ductilidade e da resistência ao
impacto, porém diminui ligeiramente a tensão de escoamento e a dureza do material. Como não é
realizado um envelhecimento artificial subseqüente à solubilização, espera-se que a liga tenha
um envelhecimento natural ao longo do tempo posterior ao tratamento térmico imposto. Para as
ligas de magnésio geralmente são utilizados aquecimentos na faixa de 340ºC a 565ºC,
dependendo de cada liga. O tempo e temperatura dependerão do resultado desejado.
- Tratamento térmico de Envelhecimento (T5) – Este tratamento consiste em envelhecer
artificialmente um material já deformado a quente. É utilizado, portanto, após as peças sofrerem
processos de conformação mecânica em altas temperaturas, como extrusão ou forjamento. Este
tratamento origina um aumento da tensão de escoamento e da dureza da liga. As temperaturas
indicadas para o envelhecimento artificial variam de 120ºC a 230ºC. O tempo e temperatura
dependerão do resultado desejado.
- Tratamento térmico de Solubilização seguido de um Envelhecimento (T6) – Este tratamento
une os tratamentos T4 e T5, ou seja, a peça é inicialmente deformada a quente, na seqüência a
mesma é aquecida para dissolver os elementos de liga no interior da matriz metálica do
magnésio, onde permanece por um período grande de tempo – não inferior à horas – sendo,
então, resfriada rapidamente até temperatura para solubilização dos elementos químicos.
Posteriormente, as peças solubilizadas são novamente elevadas à temperaturas moderadas, onde
permanecem por longos tempos de forno, promovendo a precipitação de partículas de segunda
fase finamente dispersos. Nas ligas de magnésio da família AM, estes precipitados são chamados
de fase β (Mg17Al12). Este tratamento térmico origina um aumento considerável da tensão de
escoamento e da dureza da liga, no entanto diminui a resistência ao impacto e a ductilidade.
44
O processo de endurecimento por precipitação envolve três passos, sendo eles o
tratamento térmico de solubilização, a têmpera e o envelhecimento, como demonstrado na figura
2.5.
2.5. Fundição Sob Pressão
A Fundição Sob Pressão (ou Die Casting), também conhecida como injeção de metais é:
o processo metal-mecânico no qual o metal líquido, sob pressão é forçado a entrar na cavidade
esculpida de uma matriz, normalmente confeccionada em aço, preenchendo-a e formando a peça
desejada. Ao entrar na cavidade da matriz o metal expulsa o ar lá contido, por orifícios pré-
determinados, e preenche todos os espaços da matriz, também conhecida por ferramenta ou
Tem
per
atu
ra
FIGURA 2.5. Esquema do endurecimento por
precipitação (adaptado de CAMPBELL et al, 1994)
45
molde, além disso, ainda recebe uma força de compactação para diminuir o volume das
microporosidades decorrentes da solidificação, o que aumenta a densidade da peça. A qualidade
superficial e estrutural obtida nas peças injetadas é bastante superior se comparado ao processo
convencional de fundição em areia e por gravidade, por exemplo, proporcionando a produção de
peças com elevada responsabilidade técnica.
Os moldes metálicos utilizados em fundição sob pressão são chamados de matrizes. A
matriz, feita de aço ferramenta tratada termicamente, é geralmente constituída de duas partes que
são fechadas hermeticamente no momento de vazamento do metal líquido. O metal líquido é
bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total de todos os
seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal se solidifique. Então, a matriz é
aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente. Muitas matrizes são
refrigeradas a água. Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz, aumentando sua
vida útil e evitando defeitos nas peças. (MACHADO, I. Processos de Fundição e Sinterização-
Metalurgia do Pó. Mimeo).
Procura-se utilizar este processo quando uma grande quantidade de peças é solicitada, ou
seja, quando se precisa fabricar várias vezes o mesmo componente estrutural. Este método de
fabricação é capaz então de produzir rapidamente um número grande de peças com alta precisão
dimensional. A fundição sob pressão é automatizada e realizada em máquina de câmara quente,
que está ilustrada na figura 2.6.
46
Figura 2.6. Representação do processo de fundição sob pressão em câmara quente
(adaptado de KIELBUS et al. 2006, p. 136).
No processo de fundição sob pressão com câmara quente, o metal líquido é transportado
diretamente do forno para o molde de solidificação, via um equipamento de transferência tipo
tubo ou bocal devidamente aquecido. Já no instante da solidificação se observa que
primeiramente grãos mais finos são nucleados. À medida que a temperatura diminui, o tempo de
difusão é muito pequeno para que aconteça a solidificação em equilíbrio. Isto acarreta numa
estrutura ‘núcleo’, com aumento considerável de alumínio em direção aos contornos de grão.
Próximos a eles e ao longo deles é formada a fase Mg17Al12 também chamada de ‘eutético
divorciado’ (KIELBUS et al. 2006, p. 136). Nas figuras 2.7 e 2.8 pode-se observar a
47
microestrutura bruta de solidificação, onde a parte mais clara representa a fase Mg, que é a
matriz, e a parte escura representa a segunda fase β-Mg17Al12. Estas imagens pertencem à ligas
de magnésio AM60 com composição química dentro da especificação da ASTM.
Figura 2.7: Estrutura bruta de solidificação da liga AM60, fundida sob pressão (adaptado de Yan
et al. 2008, p 399).
Figura 2.8: Microscopia ótica da liga de magnésio AM60 na condição de fundida (adaptado de
FURUI et al. 2011, pp. 699-704).
48
O processo de fundição sob pressão que utiliza o recurso de câmara quente dispõe de um
forno acoplado à máquina de injeção, onde o metal líquido está armazenado. E no seu interior
um pistão ou bomba hidráulica transporta o metal através de um canal para o interior da matriz.
A pressão exercida pelo pistão faz com que todos os espaços vazios da matriz sejam preenchidos,
formando então a peça após a solidificação (MACHADO, apostila de fundição, p. 21).
Como todo processo de fabricação, a fundição sob pressão possui suas vantagens e
desvantagens. Pode-se citar como vantagens:
i) as peças fundidas sob pressão podem apresentar maior valor de resistência mecânica do que as
fundidas em moldes de areia;
ii) as peças recebem tratamento superficial com um mínimo de reparo prévio;
iii) há a possibilidade de se fabricar peças com formas geométricas mais complexas, paredes
mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas;
iv) alta capacidade de produção e alta durabilidade das matrizes.
Pode-se citar como desvantagens:
i) limitações com relação aos materiais, pois este processo é utilizado para apenas ligas não-
ferrosas;
ii) limitação no peso das peças, pois raramente elas excedem os 5 kg;
iii) retenção do ar nas matrizes, podendo originar porosidades nas peças fundidas;
iv) alto custo do equipamento e dos acessórios para a injeção sob pressão do metal líquido
(ibidem, p.22).
2.6. Expectativas na tecnologia do magnésio
Segundo Blawert (2004) as ligas de magnésio têm duas desvantagens para a aplicação
automotiva. Elas oferecem baixa resistência em altas temperaturas e uma proteção contra
corrosão relativamente fraca. Algumas ligas podem melhorar a resistência à corrosão, mas não
podem evitar os problemas da corrosão galvânica, por causa do contato do magnésio com outro
metal da liga ou um eletrólito. Este problema pode ser resolvido com um sistema de proteção de
revestimento.
49
As aplicações em uso automotivo requerem uma boa ductilidade para muitos
componentes e especialmente uma boa energia de absorção de impacto, que em casos de
acidentes é uma questão crucial. É uma das áreas em que o desenvolvimento das ligas e dos
processos de fabricação têm se preocupado em aperfeiçoar, ou seja, alterar variáveis que
melhorem a energia de absorção de impacto. Já em outros elementos é mais interessante se ter
boa resistência mecânica ao invés de boa ductilidade. Daí então desenvolvimento das ligas de
magnésio seguiu por vários caminhos e alguns grupos estão expostos na figura 2.9 (BLAWERT
et al. 2004).
Figura 2.9: Direções dos desenvolvimentos das ligas de magnésio de acordo com as exigências
de trabalho (adaptado de BLAWERT et al.2004, p. 398-401).
50
2.7. Aplicação do magnésio e suas ligas na indústria automobilística
As empresas de produção de automóvel têm dedicado grande parte da sua pesquisa ao
desenvolvimento do Mg e das suas ligas. A Volkswagen foi a primeira foi a primeira empresa a
aplicar ligas de magnésio na indústria automobilística no modelo Beetle, no qual foram
utilizados 22 kg de magnésio em cada automóvel deste modelo (FRIEDRICH, 2001, pp 276-
281). No início, em 1928 (SCHUMAN, 2005, pp 1-8), a Porsche trabalhou com um motor de
magnésio. A média de utilização do magnésio e o aumento de utilização previsto por carro é de 3
kg, 20 kg, e 50 kg para 2005, 2010 e 2015, respectivamente (FRIEDRICH, 2001,pp 276-281)
(BLAWERT, KAINER, 2004, pp 397-408).. No passado o alumínio e alguns plásticos foram
utilizados como materiais escolhidos para alguns componentes de automóvel. Nos últimos anos,
aumentaram as aplicações de magnésio no setor automobilístico (DIERING, KAINER, 2007, pp
91-95). Estudos recentes de pesquisa e desenvolvimento do magnésio e das suas ligas centraram
esforços na redução de peso, economia de energia e limitação do impacto ambiental (TANG et
al. 2005, pp 574-578). A acrescentar aos requisitos técnicos, ecológicos e econômicos, existem
requisitos básicos para os componentes para automóveis que se encontram sumarizados na figura
2.10, e que têm que ser considerados de forma a atingir estes objetivos (SCHUMAN, 2005, p 1-
8).
Figura 2.10: Requisitos básicos para os componentes dos veículos (adaptado de DAVIES, 2003,
p.159).
51
As tendências globais obrigam a indústria automobilística a produzir automóveis mais
leves, menos poluentes, mais seguros e mais baratos (BLAWERT, KAINER, 2004, pp 397-408).
Os líderes da produção de automóveis concentram-se na redução do peso do veículo e na
limitação da quantidade das emissões de gases devido às exigências legais e dos consumidores
que reclamam por veículos mais seguros e menos poluentes (FRIEDRICH, 2001, pp 276-281).
Visto que a emissão de CO2 é diretamente proporcional ao consumo de combustível, o peso do
veículo tornou-se critério mais que decisivo na avaliação da eficácia do modelo (MICHALEK,
PAPALAMBROS, SKERLOS, 2004, pp 1062-1070). A redução do peso não só permite uma
economia de energia, como também reduz a emissão de gases para o efeito estufa. Reduzir o
peso do automóvel de forma significativa resultará numa maior economia de combustível, como
se pode verificar na figura 2.11.
Figura 2.11. Relação entre massa do veículo e consumo de combustível (adaptado de ELIEZER
et al.1998, p. 201-212).
52
A redução do peso em 100 kg representa, num veículo, uma economia de combustível de
cerca de 0,5 litro em 100 km (MEDRAJ, 2007, pp 45-47). Presentemente estão aços de alta
resistência, bem como o alumínio e materiais compósitos numa tentativa de se obter uma
redução no peso. Poder-se-á conseguir uma maior redução com uma maior utilização de
magnésio de baixa densidade e das suas ligas. A redução no peso pode ser obtida com a
combinação de um projeto industrial inovador e com o aumento da utilização de materiais leves
(AICHINGER, 1996,p 71) (KURIHARA, 1994, p 35).
Em 2003, o veículo típico norte americano utilizava 0,25% (3,8 kg) de magnésio e 8%
(120 kg) de alumínio (DAS, 2003, pp 22-26). Ainda era necessário efetuar pesquisas
significativas no que diz respeito à preparação do magnésio, desenvolvimento das ligas,
montagem, tratamento de superfícies, resistência à corrosão e melhoria das propriedades
mecânicas. A preservação ambiental é uma das principais razões para a concentração de atenção
no Mg e nas suas ligas. A preservação ambiental depende, em grande medida, da indústria dos
transportes, em particular as emissões de CO2 produzidas pelos veículos de transporte
(EMISSON CONTROL, AUTOMOTIVE WORLD 4, 2000, pp 10-15). A redução de peso é a
opção mais eficaz, em termos de custos, para obter um decréscimo significativo no consumo de
combustível e de emissões de CO2 (DIERING, KAINER, 2007, pp 91-95) (KURIHARA, 1994,
p 35). Os fabricantes de automóveis europeus e norte-americanos planejaram reduzir até 2010, o
consumo de combustível em cerca de 25%, conseguindo assim uma redução de emissões de CO2
de 30 % (DIERING, KAINER, 2007, pp 91-95) (EMISSON CONTROL, A. W. 4, 2000, pp 10-
15) ( AGHION, BRONFIN, ELIEZER, 2001, pp 381-385).
O consumo de magnésio tem tido um enorme aumento nos últimos 20 anos. A América
do Norte é o maior consumidor seguido da Europa Ocidental e Japão (BLAWERT, KAINER,
2004, pp 397-408) (ANNUAL REPORT INT. MAGNESIUM ASSOCIATION, 2001). A maior
parte do magnésio disponível é ainda utilizado como componente em ligas de alumínio, e
somente cerca de 34% é utilizado, de forma direta, em ligas de magnésio, porcentagem esta que
pode ser dividida em ligas de fundição (33,5%) e ligas forjadas (0,5%) (BLAWERT, KAINER,
2004, pp 397-408) (KAMM, 2001, p 01).
53
Uma peça leve para um automóvel feita de magnésio pode custar mais do que a mesma
peça em alumínio, mas o custo do Mg compensa o custo do Al devido à redução de combustível
e da emissão de CO2 (AGHION, BRONFIN, ELIEZER, 2001, pp 381-385). Os custos elevados
constituem um grande obstáculo para o acréscimo na utilização do magnésio na indústria
automobilística. O custo do produto acabado deve ser competitivo. Contudo, durante muitos
anos, o magnésio tem travado uma luta para ser aceite, principalmente devido ao seu preço
elevado quando comparado com o alumínio (BROWN, 2007). A grande variação de preços está
a normalizar, como se pode verificar na figura 2.12, e o magnésio está, agora, preparado para ter
uma maior utilização em benefício das aplicações industriais e do ambiente (DAVIES, 2003, pp
91,158,159) (FRIEDRICH, 2001, pp 276-281) (SCHUMAN, 2005, pp 1-8) (EMISSON
CONTROL, A.W. 4,2 000, pp 10-15) (AGHION, BRONFIN, ELIEZER, 2001, pp 381-385)
(BROWN, 2007).
Figura 2.12. Alterações nos preços do magnésio e alumínio (adaptado de Brown, 2007).
A União Européia adotou uma nova estratégia para reduzir as emissões de CO2 nos novos
automóveis vendidos na União Européia (COMMISSON OF THE EUROPEAN
COMMUNITIES, 2007). Esta nova estratégia realça a determinação da Comissão em garantir
que a EU cumpra os objetivos a que se propôs no que diz respeito à emissão de gases com efeito
estufa, de acordo com o Protocolo de Kyoto (UNITED NATIONS, KYOTO PROTOCOL,
2007). A estratégia permitirá à EU atingir o objetivo há muito estabelecido que consiste em
limitar, até 2012, para 120g/km as emissões de CO2 nos automóveis novos, redução esta que
constitui cerca de 25% dos níveis atuais.
54
O custo das ligas de magnésio baixou, tornando-se inferior ao custo do alumínio por
quilograma desde 2004, como podemos verificar na figura 2.11 (PRICE ON MAGNESIUM
AND ALUMINIUM, 2007). As ligas de magnésio fazem baixar os custos de produção e
auxiliam na redução de peso, permitindo reduzir não só os custos relacionados com o consumo
de combustível durante o tempo de vida do automóvel, bem como o custo total do ciclo de vida
(DAS, 2003, pp 22-26) (HAKAMADA et al. 2007, pp 1352-1360) (FITCH, 2005, pp 216-228).
Estão a ser desenvolvidas novas ligas com maior formabilidade que permitem uma grande
redução de custos. Os custos do magnésio foram mais elevados do que os custos do alumínio
desde 2004, apesar de, em termos de volume, os preços de ambos serem aproximadamente os
mesmos. Os preços razoáveis do Mg impulsionarão a utilização massiva do Mg na indústria do
automóvel.
Os objetivos emergentes para uma redução das emissões e para uma economia de
combustível nos veículos de passageiros estão a conduzir a um aumento da utilização do
magnésio (AGHION, BRONFIN, 2000, pp 19-28) (DIERING, KAINER, 2007, pp 91-95).
Partindo do princípio que serão utilizados 20 kg de componentes em ligas de magnésio, em vez
de componentes de uma material alternativo, em 25% dos 40 milhões de carros produzidos,
calcula-se que a indústria do automóvel venha a requerer 200.000 toneladas de ligas de
magnésio. Para tal seria necessário um aumento de 50% na produção total mundial.
A BMW produziu um motor composto de ligas de magnésio e alumínio, que é um motor
a gasolina de 3,0 litros, de seis cilindros, mais leve do mundo (BAVARIAN MOTOR WORKS,
2007). De acordo com a empresa a escolha da liga de magnésio para este conceito de motor,
radicalmente avançado, teve a ver com a significativa redução de peso resultante da utilização
deste material. Com efeito, este motor em liga de magnésio e alumínio é 24% mais leve do que o
motor de alumínio convencional. O objetivo da BMW era conseguir um motor capaz de debitar
maior potência e ter um binário mais elevado, enquanto que, ao mesmo tempo, permitia a
diminuição do consumo de combustível e como tal reduções na emissão de CO2. Com esta
estratégia, desde 1990 até 2007, a BMW reduziu o consumo de combustível em cerca 30% nos
modelos da BMW.
55
Por outro lado a Mercedes-Benz desenvolveu uma nova transmissão automática 7G-
Tronic de 7 velocidades, sem que tal acarretasse um aumento de peso significativo, utilizando
para tal ligas de magnésio (BLAWERT, KAINER, 2004, pp 397-408). A Audi, no seu modelo
V8 Quatro, conseguiu reduzir o peso do motor em 5,0 kg relativamente aos outros modelos Audi
de oito cilindros, utilizando componentes de magnésio.
A Ford substituiu o aço tubular, o alumino extrudado e componentes em plástico
moldado por ligas de magnésio de fundição AM60. As ligas de magnésio AM50 e AM20 têm
sido utilizadas nas estruturas dos bancos dos veículos.
É também interessante notar que mesmo antes de 1970, as ligas de magnésio já eram
utilizadas, nomeadamente no modelo Beetle da VW com um consumo de 42.000 ton/ano. No
entanto, devido ao aumento do preço deste material no início da década de 70, o consumo de
magnésio diminuiu e parou a produção do VW Beetle na Alemanha (DIERING, KAIER, 2007,
pp 91-95).
A General Motors tem utilizado jantes de magnésio para o Corvette desde 1998. O painel
de instrumentos para o veículo GM H-van é feito de liga de magnésio com um peso de 12 kg em
oposição aos 18 kg do mesmo em aço. As aplicações das ligas de magnésio na indústria
automobilística norte-americana aumentaram em cerca de 15% por ano durante os anos 90
culminando numa média de 4,1 kg por veículo em 2002 (MEDRAJ, 2007, pp 45-47) (DAS,
2003, pp 22-26). A figura 2.13, mostra a evolução ao longo do tempo da utilização de ligas de
magnésio na indústria automotiva norte-americana (DAS, 2003, pp 22-26).
56
Figura 2.13. Utilização do magnésio nos veículos da América do Norte (adaptado de DAS,
2003),
A utilização de ligas de magnésio na indústria do automóvel tem também vinda a
aumentar de forma regular na última década, tal resulta do desenvolvimento das ligas de
magnésio AZ91D e AZ91E, resistentes à corrosão, e AM20 e AM50 com elevada ductilidade o
que pode ser considerado um êxito importante dos últimos anos (PEKGULERYUZ et al. 2003,
pp 32-38) Estas ligas de extrusão melhoram a qualidade das peças e conferem uma tecnologia
mais simples de produção. De notar que a indústria automobilística consome 90% de todas as
ligas de magnésio (BAVARIAN MOTOR WORKS, 2007). Neste momento, as peças padrão
feitas com ligas de magnésio são: painel de instrumentos, estrutura de apoio, estrutura dos
bancos, peças da estrutura do volante de direção, estrutura do volante, blocos de cilindro, caixa
de velocidades, caixas de embreagem, Carter inferior, coletor de admissão e outras. Algumas
destas aplicações e o benefício obtido em termos de redução de peso podem ser observadas na
figura 2.14.
57
Figura 2.14. Alguns componentes do automóvel e a redução de peso obtida.
Como se pode observar a redução de peso conseguida com a utilização de componentes
em liga de magnésio situa-se entre 22% e 70% (BAVARIAN MOTOR WORKS, 2007).
Na tabela 2.7, apresenta-se a título ilustrativo, vários componentes dos automóveis
fabricados em ligas de magnésio que são utilizados correntemente, bem como o fabricante e o
modelo do automóvel.
58
Tabela 2.7. Componentes de ligas de magnésio e aplicações no vários modelos de automóveis (Adaptado de Mg
APPLICATION IN AUTOMOTIVE INDUSTRY, 2007).
Tendo em conta os padrões e leis ambientais, os fabricantes de automóveis utilizarão, no
futuro, 40-100 kg de ligas de magnésio por automóvel (BLAWERT, KAINER, 2004, pp 397-
408) (MEDRAJ, 2007, pp 45-47) (PRICE OM MAGNESIUM AND ALUMINIUM,2007)
(BAVARIAN MOTOR WORKS, 2007).
59
Nos próximos anos, espera-se que a quantidade de magnésio utilizado na indústria
automobilística aumente pelo menos 300%. Aumentar a quantidade de ligas de magnésio por
automóvel contribuirá para a obtenção de objetivos globais de redução de gases efeito estufa.
Desenvolvimentos recentes no processamento das ligas de magnésio aumentaram a potencial
utilização destas ligas na indústria do automóvel. A atual composição das peças dos automóveis
com liga de Mg é conseguida, de forma geral, através dos processos de fundição mencionados
anteriormente. São necessários estudos adicionais sobre os processos de moldagem das ligas de
Mg para expandir, a longo prazo, a utilização do Mg na indústria automobilística.
2.8. Dificuldades tecnológicas e soluções para aplicações do Mg e suas ligas no setor
automobilístico
O principal problema da utilização de componentes em ligas de magnésio reside no risco
de incêndio que pode ocorrer durante o seu fabrico principalmente os processos de maquinagem
e corte o que é conseqüência do baixo valor do ponto de fusão destas ligas (SHI, SONG,
ATRENS, 2006, pp 1937-195
Na retificação, as aparas são, geralmente espessas e não ficam suficientemente quentes
para inflamar. Contudo, as aparas finas produzidas no polimento são mais susceptíveis de
aquecer e inflamar. O pó proveniente do polimento pode, igualmente, inflamar, até mesmo
explodir, se a temperatura for suficientemente elevada. O risco de incêndio pode então ser
eliminado evitando polimentos finos, alta velocidade, ou utilizando processos que evitem a
acumulação de aparas e pó nas máquinas ou permitam utilizando por exemplo refrigeradores.
Os refrigeradores à base de água não podem ser utilizados para o acabamento das ligas de Mg, já
que reduzem o valor de recuperar a sucata e aumentam o risco de incêndio devido à oxidação do
material (NIU et al. 2006, pp 3021-3026).
A soldagem das ligas de Mg pode também apresentar risco de incêndio se o metal quente
fundido estiver em contato com o ar. Para evitar este problema, a região da solda deve ser
efetuada em atmosfera de gás inerte. Pode originar-se deformação, relativamente a outros metais
60
devido à elevada condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica na soldagem das ligas
de magnésio, caso não sejam tomadas as devidas precauções (ROBOTS 4 WELDING, 2007). As
temperaturas de serviço devem ser muito inferiores à temperatura de fusão, caso contrário poder-
se-á materializar o risco de incêndio.
Outro problema das ligas de magnésio é a sua elevada reatividade (HAFERKAMP et al.
2001, pp 1160-1166). Como referido anteriormente o magnésio é um material muito reativo, não
se encontrando no estado metálico na natureza. Tipicamente em estado natural o magnésio surge
sob a forma de óxidos hidratados, carbonatos ou silicatos, muitas vezes combinado com o cálcio.
A grande reatividade do magnésio faz com que a produção do metal requeira grandes
quantidades de energia (NFPA, 2001), o que explica o seu custo elevado.
Existem dois mecanismos de reatividade das ligas de magnésio (ASM HANDBOOK
V.2,1961). No primeiro mecanismo, as ligas de magnésio podem reagir com o oxigênio e com a
umidade do meio, mesmo à temperatura ambiente formando óxidos ou hidróxidos, contribuindo
também para risco de incêndio.
No segundo mecanismo, as ligas de magnésio uma vez que estão posicionadas no fundo
da série galvânica atuam como anodos quando em contato com qualquer outro material metálico,
o que leva a que a corrosão galvânica seja um problema comum. Para prevenir estes problemas
de reatividade conducentes obviamente a uma degradação do material, são normalmente
utilizados acabamentos protetores, tais como anodização da superfície ou uso de revestimentos
como tintas (SHI, SONG, ATRENS, 2006, pp 1939-1959). Revestimentos aplicados
quimicamente de que são exemplos os tratamentos de conversão (cromatação ou fosfatação)
apenas conferem uma proteção a termo limitado sendo utilizados em conjunto com sistema de
pintura. A concepção/projeto das peças é também crucial para melhorar o desempenho dos
componentes face à corrosão. A título de exemplo pode referir-se a necessidade de uma
drenagem adequada para prevenir a acumulação de substâncias corrosivas (NIU et al. 2006, pp
3021-3026).
61
Embora as ligas de magnésio possuam uma resistência razoável à corrosão nas condições
atmosféricas, a sua susceptibilidade à corrosão em ambientes com cloreto tem sido uma séria
limitação prática a uma aplicação mais abrangente destas ligas. Apesar destas limitações, foram
conseguidas melhorias significativas com as ligas de magnésio no que diz respeito à resistência à
corrosão, através da já referida redução do nível de impurezas de metais pesados (Fe, Ni e Cu)
(TKACHENKO et al. 2006, pp 97-107) (BAVARIAN MOTOR WORKS, 2007).
Assim, um projeto correto das estruturas e a utilização de técnicas de proteção
anticorrosivas adequadas podem atenuar estas preocupações (POLMEAR, 1994, pp 1-14).
62
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Introdução
O método de trabalho consistiu em coletar a liga AM60, cedida pela RIMA (Bocaiúva-
MG), da forma em que ela foi fabricada, ou seja, fundida sob pressão. De posse do material,
foram cortados pequenos pedaços para os tratamentos térmicos, onde foram cortados sem
orientação preferencial.
3.2 Tratamentos térmicos
Depois de cortadas as amostras realizaram-se os tratamentos térmicos. O forno é
estabilizado à temperatura pretendida, e só depois introduzidas as amostras, dando-se início à
contagem do tempo de tratamento a partir do momento em que se fecha o forno.
Foram realizadas as solubilizações das amostras às várias temperaturas pretendidas, ou
seja a 350ºC, 400ºC e 450ºC, seguidas de resfriamento em água à temperatura ambiente; sendo
posteriormente sujeitas ao envelhecimento às várias temperaturas pretendidas, ou seja a 150ºC,
200ºC e 250ºC, seguidas de resfriamento natural. Os tratamentos térmicos foram utilizados num
forno elétrico marca ANALÓGICA, modelo NA-1100-TM com atmosfera controlada por gás
inerte Argônio com vazão de 15 L/min. As temperaturas e tempos utilizados nos tratamentos
térmicos de solubilização e envelhecimento estão mostradas na tabela 3.1 seguinte.
Tabela 3.1. Temperaturas e tempos de solubilização e envelhecimento dos tratamentos térmicos T6.
Solubilização Envelhecimentos
_____________________________________________________________________________________________
350ºC / 24h 150ºC / 12h 150ºC / 6h
400ºC / 24h 200ºC / 12h 200ºC / 6h
450ºC / 24h 250ºC / 12h 250ºC / 6h
As amostras foram embutidas com resina de cura a frio, devido ao fato das temperaturas
de embutimento a quente poderem interferir com os tratamentos executados. Em seguida foram
63
realizados os procedimentos de preparação metalográfica, começando pela lixa 80 e seguida
pelas lixas 120, 220, 240, 320, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000 (escala mesh) e
terminando na lixa 2500. Na seqüência, procedeu-se o polimento das amostras, sendo utilizado o
abrasivo de alumina em suspensão com tamanho de partículas de 1μm. Os reagentes utilizados
para os ataques químicos das amostras foram o nital, o ácido fluorídrico, o ácido pícrico e o
etilenoglicol e mesmo assim não revelaram a microestrutura da liga, mesmo na concentração de
cada um deles em álcool de 10%. A tabela 3.2 mostra a composição básica da liga de magnésio
AM60 segundo ASTM.
Tabela 3.2. Composição da liga AM60 (% em peso); segundo ASTM
Al Zn Mn Cu Si Fe Ni Be
_____________________________________________________________________________________________
Mín 5,6 - 0,26 - - - - 0,0005
Máx 6,4 0,20 0,50 0,008 0,08 0,004 0,001 0,0030
3.3. Ensaio de dureza
Para a medição de dureza foi utilizado o método microdureza Vickers. O ensaio de dureza
foi realizado em um equipamento da marca MITUTOYO, modelo MVK-G1, Hardness Tester,
onde foi utilizado um indentador em forma pirâmide de diamante com base quadrangular e
ângulo de abertura de 136º, segundo a norma ASTM-E92 e uma carga de 200 gramas (0,96 N)
durante 20 segundos. Para a obtenção do valor da dureza Vickers (de designação HV) recorre-se
à fórmula seguinte:
64
Figura 3.1. Cálculo da dureza Vickers (HV), sendo d o valor médio das diagonais da calota
impressa na amostra (mm), e F carga aplicada (kgf) (adaptado de SMITH, W. 1993).
Figura 3.2. Exemplo da medição das diagonais d1 e d2 dos ensaios de dureza vickers.
Foram realizadas três medições de dureza para cada uma das amostras após os
tratamentos térmicos realizados, sendo a dureza caracterizada então pela média dos valores
encontrados.
3.4. Análise metalográfica
Para as análises metalográficas foram utilizados os procedimentos padrões de norma, ou
seja, as amostras são preparadas com uma seqüência de lixas d’água finalizando com um
65
polimento com alumina de 1 μm. Após este procedimento, as amostras foram atacadas com ácido
fluorídrico ou ácido pícrico, diluídos em etanol e analisados em microscópio ótico. O
microscópio utilizado é da maca OLYMPUS, modelo SC30. Os exames metalográficos foram
empregados a todos os tratamentos térmicos adotados.
3.5. Planejamento de Experimentos
Planejamento de experimento é um conjunto de procedimentos baseados na estatística e
probabilidade que busca aprimorar testes de produtos e processos, garantindo confiabilidade e
custos baixos nos ensaios.
O planejamento aleatorizado por níveis é o planejamento onde se realiza ensaios com
diferentes níveis (ou tratamentos) de uma única variável de influência (fator), com n réplicas
para cada nível.
Este tipo de planejamento tem como objetivo avaliar os efeitos dos tratamentos e estimá-
los, através do teste de hipóteses apropriadas. Para esse teste, assume-se que os erros do modelo
utilizado são normalmente e independentemente distribuídos com média zero e variância igual
para todos os tratamentos. Esse modelo é denominado análise de variância de um fator único e
para que a análise seja objetiva é necessário que o procedimento experimental seja
completamente aleatorizado.
Neste estudo foi realizada análise estatística para avaliar os efeitos do tratamento térmico
de envelhecimento, sobre a microdureza. O planejamento experimental consistiu em
planejamento aleatorizado por níveis com uma variável de influência, a microdureza. Foram
comparadas as medidas de indentação das amostras como recebida, com as amostras
solubilizadas e posteriormente com as amostras envelhecidas em diferentes temperaturas
(150ºC), (200ºC) e (250ºC) em diferentes tempos de tratamento (6h) e (12h). A análise de
variância foi realizada com o nível de significância de 5%.
As médias dos diferentes tratamentos foram avaliadas por meio de um contraste para
avaliar as diferenças entre os resultados das médias obtidas. Cada ensaio foi realizado com três
réplicas para avaliar o erro experimental. A variável de resposta foi a medida da dureza.
66
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo estão apresentados e discutidos os resultados dos ensaios mecânicos
realizados nesta pesquisa, tais como dureza, além das análises metalográficas.
4.1. Análise química
Na tabela 4.1, está mostrada a composição química da liga de magnésio AM60. Pode-se
notar que o teor de alumínio está abaixo do valor especificado pela norma ASTM-B93 (2000), o
que pode ter afetado na dureza desejada. Além do alumínio, o berílio e o zinco estão abaixo do
especificado, enquanto o ferro está muito acima do limite especificado. Portanto, o material não
está dentro da faixa de trabalho das especificações, porém a liga foi pesquisada da mesma forma.
Para Sakkien (1994 apud FERRI, 2008, p. 17) os principais elementos de liga em questão
são Alumínio, Zinco, Manganês, Silício e Berílio. O alumínio melhora as propriedades
mecânicas, o zinco melhora a resistência mecânica em temperatura ambiente além de aumentar a
fluidez da liga. O manganês é benéfico na proteção contra a corrosão, pois possui afinidade com
o ferro que é altamente nocivo ao magnésio com relação às taxas de corrosão. O silício aumenta
a resistência à fluência devido à formação da fase Mg2Si. E por fim o berílio, que apesar de
presente em proporções iguais a 10 PPM, não altera as propriedades mecânicas, mas reduz a
oxidação da liga.
Tabela 4.1. Composição química para a liga AM60 utilizada.
_____________________________________________________________________________________________
Amostra Al Zn Mn Cu Si Fe Ni Be Mg
_____________________________________________________________________________________________
AM60 5,0 0,15 0,33 0,008 0,26 0,37 0,001 0,0002 Bal.
67
4.2. Análise Metalográfica
As figuras 4.1,4.2 e 4.3 mostram, respectivamente, os resultados da análise metalográfica
e das imagens do MEV para a liga AM60 como recebida. As amostras foram embutidas a frio
com resina adesiva e não houve escolha de direção preferencial do material, por ser a mesma
fundida sob pressão. De acordo com ASM HANDBOOK (2004), para a liga em questão, a fase
mais clara é a matriz de magnésio e a parte escura representa a segunda fase Mg17Al12, também
chamada de ‘eutético divorciado’. Na liga AM60, a fase mais clara é a matriz de Mg e a segunda
fase mais escura é a fase Mg17Al12, isto é devido ao teor de alumínio do material, como exposto
na análise da composição química. Mas de acordo com a imagem da análise metalográfica
realizada na amostra não conseguimos observar as fases presentes, isto pode ser devido ao baixo
teor de alumínio na liga ou ao elevado teor de ferro, foi utilizado como reagente ácido fluorídrico
10% em água, por 5 segundos. Observa-se que os grãos são pequenos e alguns são lamelares.
Figura 4.1. Microscopia ótica da liga AM60 como recebida.
Aumento de 200x.
500 µm
68
Figura 4.2. Imagem do MEV da liga AM60 como recebida.
Figura 4.3. Imagem da espectrometria da liga AM60 como recebida.
69
4.3. Efeito dos Tratamentos Térmicos
Com a realização dos tratamentos térmicos pretende-se melhorar as propriedades
mecânicas da liga através da redistribuição das fases precipitadas. O controle da formação e
distribuição dessas fases é conseguido através da manipulação da temperatura nas etapas de
solubilização, têmpera e posteriormente de envelhecimento.
4.3.1. Efeito da Solubilização
No tratamento de solubilização é pretendido promover a dissolução dos elementos de
liga, necessária para a obtenção de uma solução sobressaturada, e também a alteração da
microestrutura das partículas de Al, ocorrendo a globalização e coalescimento do Al do eutético.
A temperatura de solubilização mínima requerida tem de estar acima da linha de solvus, e
o tempo aplicado tem de ser suficiente de forma a dissolver as fases intermetálicas que contem os
elementos endurecedores. O uso de temperaturas exageradas leva a uma difusão acelerada
aumentando a solubilização dos elementos endurecedores, mas provoca maiores gastos
energéticos e pode levar à fusão incipiente da liga. No caso específico das ligas de fundição
injetada deparamo-nos com outro fator, que é o aparecimento de poros gasosos de grandes
dimensões; o aumento da temperatura promove um significativo aumento da solubilidade do
hidrogênio no magnésio e posterior precipitação na matriz. Por outro lado, temperaturas
próximas da linha de solvus necessitam de um tempo de solubilização mais elevado, o que leva a
uma diminuição de produtividade, mas obtém-se estruturas mais homogêneas, com uma maior
dispersão da fase Mg17Al12 e onde o crescimento das partículas de Al não ocorre tão
rapidamente. Para além do mencionado, tem-se também um menor gasto de energia nos fornos, e
não se corre o risco de fusão incipiente da liga, que leva à perda significativa de propriedades
mecânicas. Todos estes fatores são muito importantes para a ductilidade, e portanto de fulcral
importância na liga.
De forma a garantir um tratamento de solubilização adequados foram realizados
tratamentos de solubilização de 24 horas a 350ºC, 400ºC e 450ºC. A intensa formação de
precipitados descontínuos de baixo ponto de fusão Mg17Al12 afeta negativamente as
70
propriedades mecânicas e deterioram a resistência à fluência da liga. No entanto, após longos
tratamentos térmicos acima de 400ºC, as ligas podem-se transformar em uma solução sólida
substitucional. Os tempos e temperaturas escolhidos foram selecionados com base em estudos
prévios e serão analisados conjuntamente com os resultados dos ensaios de dureza realizados. O
resultado deste tratamento é ilustrado nas figuras 4.4, 4.5 e 4.6 para a amostra escolhida.
Observa-se que a matriz base contém bastante Mg e as fases formadas podem conter Al, Mn e
Fe. Houve um aumento no tamanho dos grãos em relação à amostra como recebida.
500 µm
Figura 4.4. Microscopia ótica da liga AM60 solubilizada a 400ºC durante 24 horas.
Aumento de 200x.
71
Figura 4.5. Imagem do MEV da liga solubilizada.
Figura 4.6. Imagem da espectrometria da liga AM60 solubilizada a 400ºC durante 24 horas.
72
É importante esclarecer que os valores de dureza permitem uma previsão da resistência
mecânica do material, mas não da sua ductilidade, que como já mencionado é grandemente
afetada pela morfologia dos cristais de Al eutéticos e pela presença de intermetálicos do tipo Mg-
Al. A ductilidade é afetada de duas formas com a aplicação do endurecimento por precipitação, a
solubilização dos elementos e a globalização das partículas eutéticas beneficiam a ductilidade,
mas o posterior envelhecimento leva à concentração de tensões na malha cristalina resultantes da
precipitação de partículas sub-microscópicas, que embora aumentem a resistência, degradam a
ductilidade. Assim a necessidade de compromisso entre tempos e temperaturas das duas etapas
tem de ser maximizado de forma a obter as propriedades mecânicas desejadas. Os resultados dos
ensaios de dureza são apresentados na tabela 4.2.
Tabela 4.2. Dureza Vickers das amostras de AM60 solubilizadas.
Amostra Solubilização Envelhecimento Dureza Desvio
Vickers Padrão
AM60 - - 49,922 HV 5,01
AM60 350ºC/24h - 53,589 HV 8,13
AM60 400ºC/24h - 61,478 HV 1,26
AM60 450ºC/24h - 49,022 HV 7,67
Destes resultados da dureza ressalta-se que os tratamentos de solubilização de 24 horas a
350ºC e 400ºC obtiveram uma dureza superior à amostra como recebida do fabricante. Isto deve-
se à melhor solubilização dos elementos endurecedores, que resulta numa maior e mais
homogênea precipitação dos mesmos durante o envelhecimento. Este resultado é reforçado
através das imagens das microestruturas, onde é notório um maior efeito da solubilização na
esferoidização do eutético. Uma vez que não é possível observar os precipitados endurecedores,
aplicando envelhecimentos diferentes pode-se observar o maior ou menor efeito da solubilização
através das durezas obtidas, e do tamanho e esferoidização do eutético, mesmo que este não
esteja diretamente ligado ao endurecimento por precipitação.
Então de acordo com a tabela 4.2, pode-se dizer que a melhor temperatura de
solubilização é a de 400ºC durante 24 horas, por apresentar maior valor de dureza e um menor
73
desvio padrão; por isso os tratamentos térmicos de envelhecimento foram todos realizados após
solubilização a 400ºC por 24 horas com resfriamento em água à temperatura ambiente.
4.3.2. Efeito do Envelhecimento
No envelhecimento, como já descrito, pretende-se a precipitação controlada do soluto
para formar precipitados finamente dispersos na matriz. Estes precipitados finos serão as
barreiras à movimentação das deslocações durante a deformação. Restringindo o movimento das
deslocações, aumenta-se a resistência mecânica. Como os precipitados endurecedores não são
visíveis em microscopia ótica ou eletrônica de varrimento, o seu efeito foi estudado através de
ensaio mecânico de dureza.
Analisei as amostras envelhecidas artificialmente utilizando patamares triplos, que
consiste no uso de 3 temperaturas diferentes para 2 tempos diferentes durante o envelhecimento.
As amostras foram solubilizadas durante 24 horas a 400ºC e após foram envelhecidas a
temperaturas de 150ºC, 200ºC e 250ºC durante 6 horas e 12 horas de tratamento. Os resultados
dos ensaios de dureza das amostras envelhecidas são apresentados na tabela 4.3.
Tabela 4.3. Dureza Vickers das amostras de AM60 envelhecidas.
Amostra Solubilização Envelhecimento Dureza Desvio
Vickers (HV) Padrão
AM60 400ºC/24h 150ºC/6h 51,422 6,375
AM60 400ºC/24h 200ºC/6h 57,400 2,780
AM60 400ºC/24h 250ºC/6h 53.533 4,201
AM60 400ºC/24h 150ºC/12h 55,444 2,678
AM60 400ºC/24h 200ºC/12h 52,511 3,051
AM60 400ºC/24h 250ºC/12h 54,611 2,544
De acordo com a tabela 4.3, pode-se dizer que as melhores temperaturas de
envelhecimento foram de 200ºC durante um tempo de 6 horas e 150ºC durante um tempo de 12
horas. Devido aos valores observados na tabela, a dureza média deve ser analisada com cuidado,
pois não é representativa da dureza da liga por apresentar um desvio padrão muito elevado.
74
A seguir são apresentadas as figuras 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.11 e 4.12 das amostras que
foram envelhecidas a 200ºC durante 6 horas e a 150ºC durante 12 horas. Observa-se que houve
precipitação de fases o que diferencia a microestrutura da amostra em relação à amostra como
recebida.
500 µm
Figura 4.7. Microscopia ótica da liga AM60 envelhecida a 200ºC durante 6 horas.
Aumento de 200x.
75
Figura 4.8. Imagem do MEV da liga AM60 envelhecida a 200ºC durante 6 horas.
Figura 4.9. Imagem da espectrometria da liga AM60 envelhecida a 200ºC durante 6h
76
500 µm
Figura 4.10. Microscopia ótica da liga AM60 envelhecida a 150ºC durante 12 horas.
Aumento de 200x.
Figura 4.11. Imagem do MEV da liga AM60 envelhecida a 150ºC durante 12 horas.
77
Figura 4.12. Imagem da espectrometria da liga AM60 envelhecida a 150ºC durante 12 horas.
4.4. Análise dos Resultados
Como explicado anteriormente, o relatório das medições de microdureza fornece de
maneira direta os resultados de microdureza. Neste trabalho foram utilizadas as medições de
microdureza diretas a partir do relatório gerado após as medições. As medições de dureza foram
efetuadas conforme o planejamento experimental em três réplicas nas amostras. Na tabela 4.4 a
seguir é apresentado as medições de dureza das amostras após o envelhecimento.
78
Tabela 4.4. Medidas de dureza Vickers (HV) das amostras da liga AM60 envelhecidas.
Réplicas Tratamentos
Env.150ºC/6h Env.200ºC/6h Env.250ºC/6h Env.150ºC/12h Env.200ºC/12h Env.250ºC/12h
1 37,9 56,0 55,7 59,5 58,0 56,3
2 43,1 58,3 57,4 54,2 51,4 57,9
3 54,2 56,7 44,1 54,5 55,1 57,1
4 55,3 60,9 56,2 55,2 48,2 53,7
5 52,7 59,6 49,3 55,6 53,5 56,5
6 54,7 51,8 55,3 53,4 50,0 55,1
7 55,2 59,9 55,3 53,4 54,6 51,4
8 55,1 55,5 54,6 60,3 50,2 52,3
9 54,6 57,9 53,9 52,9 51,6 51,2
MÉDIA 51,422 57,400 53,533 55,444 52,511 54,611
Desvio
Padrão 6,375 2,780 4,201 2,678 3,051 2,544
Conforme pode ser observado na tabela 4.4, as amostras envelhecidas a 200ºC/6h
apresentaram maior média nas medidas de dureza, seguidas pelas amostras envelhecidas a
150ºC/12h, depois as amostras envelhecidas a 250ºc/12h. Em seguida as amostras envelhecidas a
250ºC/6h, depois as amostras envelhecidas a 200ºC/12h e por fim as amostras envelhecidas a
150ºC/6h. O que leva a concluir que os tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento
introduzem maior dureza nas amostras em relação ao material como recebido do fabricante.
A seguir é apresentada na tabela 4.5 a análise estatística realizada nos dados obtidos das
medições de dureza das amostras. Na tabela SST é a soma dos quadrados de todos os valores de
dureza medidos, SSA é a soma dos quadrados das medidas de dureza para os envelhecimentos da
amostras, SSerro é o erro embutido na soma total, GL é grau de liberdade para cada variável,
MSS é a média da soma dos quadrados, Fcal é o valor calculado e Ftab é o valor tabelado para a
Distribuição de Fisher, de acordo com a confiança e os graus de liberdade da variável e do erro.
A análise de variância com nível de confiança de 95% irá mostrar se o tratamento térmico
influencia na dureza das amostras.
79
Tabela 4.5. Análise de variância
SS
GL
MSS
Fcal
Ftab Conclusão
SSTotal 918,4 53
SSA 206,6 5 41,3 2,78 2,418 influencia
Sserro 711,8 48 14,8
Pela análise de variância foi possível concluir que o tratamento térmico de
envelhecimento tem influência na dureza das amostras.
80
5. CONCLUSÕES
Observando os resultados obtidos na microdureza em diferentes temperaturas e tempos de
tratamento pode-se dizer que o tratamento térmico influencia na dureza da liga, pois como visto
para cada patamar de temperatura e tempo houve uma variação da dureza.
Mas de acordo com resultados de outros trabalhos, os valores encontrados estão bem
abaixo dos encontrados, então pode-se dizer que a composição química da liga utilizada neste
trabalho, estando fora da especificação, pode ter sido um fator determinante para os valores
encontrados e além disso esta liga também sofre envelhecimento natural à temperatura ambiente
o que pode também interferir nas medidas de dureza.
Dentre os tratamentos térmicos realizados, a solubilização na temperatura de 400ºC e no
tempo de 24 horas surtiu melhor efeito na microdureza o que poderia indicar que o tratamento
térmico afeta a microdureza da liga, aumentando a resistência mecânica, mas também diminui a
ductilidade da mesma.
O tratamento térmico de envelhecimento posterior realizado em diferentes temperaturas e
tempos de exposição, mostrou diferentes valores de dureza, sendo que na temperatura de 200ºC
durante 6 horas apresentou maior valor da dureza.
Com relação à microestrutura da liga não pode-se dizer que mesmo por estar fora da
especificação, conseguimos visualizar sua estrutura e pode-se dizer que houve uma revelação
satisfatória da microestrutura observada nas figuras anteriores. A amostra como recebida
apresenta uma microestrutura muito irregular com grãos desordenados, alguns lamelares e outros
com forma geométrica definida. Na microestrutura da amostra solubilizada a 400ºC, houve
precipitação de segundas fases com contornos pouco definidos devido ao resfriamento rápido,
mas diferente da microestrutura da amostra como recebida.
Na microestrutura da amostra envelhecida a 200ºC, observa-se grãos esféricos, devido ao
tratamento, e não possuem grande tamanho por causa do pouco tempo de ensaio. Na
81
microestrutura da amostra envelhecida a 150ºC, observamos grãos maiores devido ao longo
tempo de ensaio.
Então pode-se dizer que neste estudo os tratamentos térmicos modificaram as medidas de
dureza e a microestrutura da liga de magnésio AM60 em todos os ensaios realizados.
82
6. Sugestões para Trabalhos Futuros
Como trabalho futuro, uma vez que não foi possível de realizar no decorrer deste trabalho,
deverão:
- repetir os tratamentos térmicos realizados com a liga deste estudo e com uma liga AM60 com
composição química dentro da especificação e comparar os resultados obtidos.
- fazer ensaios de tração/compressão com amostras da liga utilizada neste estudo e da AM60 para
análise de resultados obtidos.
- fazer ensaios de impacto com as amostras para análise das energias absorvidas.
- realizar ensaios de EDX e Fluorescência para determinação das fases presentes e precipitadas.
- realizar ensaio de Fluência.
- realizar tratamento térmico de envelhecimento na liga com tempo de 3 horas e comparar os
resultados.
83
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das Ligas de Magnésio AM50 e AM60 Fundidas Sob Pressão. UFSJ, 2011.
Gomes, T. S., Estudo do efeito de um tratamento térmico de envelhecimento na liga de magnésio
AZ61 extrudada em condições diferentes de deformação. PPGE3M, UFRS, 2012.
Iartelli, A., Avaliação de defeitos tipo Gouge em tubos de aço inox 304L utilizados na fabricação
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Melo. A. P. B., Avaliação de tensões residuais na operação de cunhagem em um componente
automotivo estampado. PPMEC, UFSJ, 2014.
Oliveira, G. R. G., Tratamento térmico de uma liga Al-Si-Mg-Mn. FEUP,2012.
Sabariz, A.L.R.; Silva, A.; Bueno, A.H., Estudo da Corrosão Eletroquímica em Ligas de
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ARTIGOS E CONGRESSOS
França, F. C. V., Tendências para o mercado brasileiro de magnésio. 11º Seminário Brasileiro
de Metais Não-Ferrosos – ABM. Apresentação oral. São Paulo, 2009.
Silva, A. F.; Fonseca, V. R., Análise microestrutural da liga de magnésio AM60 fundida sob
pressão. XVII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica. 2010.