solubilizaÇÃo e envelhecimento de uma nova liga … · máxima resistência mecânica de uma liga...

SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO DE UMA NOVA LIGA Al3,9%Si RECICLADA PARA PROCESSOS DE TIXOFORJAMENTO

A. A. Reis

L. P. Oliveira

C. M. L. Santos

E. A. Vieira

[email protected]

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

RESUMO

O tixoforjamento é uma metodologia a partir de um material sólido

previamente condicionado e parcialmente refundido que após um tempo de

espera é conformado em uma matriz semelhante ao forjamento convencional

cujo processamento requer altas frações de sólido. Neste estudo foram

analisadas quais as temperaturas e os tempos de solubilização e de

envelhecimento artificial que determinam o melhor procedimento para alcançar

as propriedades mecânicas de maior resistência mecânica possível para uma

nova liga termicamente tratável obtida pelo processo de reciclagem de latas de

alumínio com adição de 3,9% de silício metálico. Foram utilizadas a evolução

da dureza, a análise microestrutural e mais a análise térmica diferencial (ATD)

das amostras para viabilizar o uso desta nova liga no estado semi sólido (ESS).

Palavras-Chave: alumínio, latas, tixojorjamento, ATD, T6.

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

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1. Introdução

As ligas de alumínio-silício são de grande interesse industrial devido às

características que justificam o seu uso mais freqüente na fabricação de peças

automotivas, como por exemplo, a capacidade de endurecimento por

precipitação aliada à fluidez e a possibilidade de seu processamento no

Estado Semi-Sólido (ESS). Esta nova liga de Al3,9%Si obtida de sucata de

latas apresenta uma faixa de temperatura no ESS que permite sua

conformação utilizando estrutura globular. O tixoforjamento, processamento

que requer altas frações de sólido (fs=0,6), melhora sob o ponto de vista dos

esforços necessários à fabricação de peças e as propriedades mecânicas

quando comparadas aos produtos fundidos ou injetados sob pressão. A

máxima resistência mecânica de uma liga metálica é obtida em razão da

formação dos precipitados finamente dispersos na matriz que interage no

movimento de discordância. Estes precipitados produzem um leve desajuste na

matriz ocasionando um aumento de tensões em suas vizinhanças. Existe uma

distribuição crítica de dispersão de precipitados onde obtém a resistência

mecânica máxima que depende do sistema da liga combinado com o tamanho

das partículas. Assim estes precipitados podem ser coerentes e deformáveis

com a matriz quando as partículas são pequenas ou incoerentes e

indeformáveis quando as partículas são grandes que possibilita as

discordâncias contorná-las. As referências do tratamento térmico foram

escolhidas de forma que sejam economicamente viáveis para um processo

industrial.

2. Materiais e métodos

As atividades de desenvolvimento deste trabalho seguem as sequências

indicadas no fluxograma da figura 1 abaixo:


155

Figura 1 . Fluxograma das atividades realizadas

Preparação da matéria prima (fusão das latas) e adição de Si

Nova liga Al3,8%Si

Tratamento térmico de solubilização

530°C por 12h

Análise química /

Homogeneização

Análise Microestrutural

microscópio ótico (M.O)

Análise Microestrutural

microscópio ótico

(M.O)

Análise térmica Diferencial-

DTA

Envelhecimento natural

0-600 horas

Tratamento de Envelhecimento

Artificial

220°C 155°C

300°C

0,5h 1h 2 h 3h 4h 5h 6h

Preparação metatográfica

Ensaio Mecânico / dureza

brinell

Observação em

M.O

Determinação par tempo-

temperatura (T6)


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A preparação da nova liga deste trabalho partiu-se de uma liga obtida a

partir de reciclagem de latas de alumínio, basicamente uma mistura das ligas

3004 (corpo – 75% em peso) e 5182 (tampa – 25% em peso). Os lingotes

foram refundidos com a adição de 3,9% de Si. A nova liga foi desgaseificadada

com adição de hexacloretano, adicionando em seguida 0,5% em peso de

Al5%Ti1%B como agente refinador de grão e 0,05% de uma ante liga de

Al10%Sr como agente modificador do Si. Para produzir 6 kg da nova liga foi

utilizado um forno tipo de indução da marca inductotherm-100kVA obtendo-se

os lingotes primários conformados em uma lingoteira metálica, conforme as

figuras 2(a), 2(b) e 2(c).

Figura2: (a) forno utilizado nos experimentos, (b) coquilha utilizada no vazamento da liga e (c) placa

obtida após a fusão.

A composição química final (%-peso) da nova liga obtida está demonstrada na

Tabela 1.


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Tabela 1. Composição química da sucata (% em peso) – estimada nominal para as latas e

composição química final da liga obtida após a fusão com a adição de silício.

LIGA

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

Res. Máx.

3004 75%(CORPO)

0.30 0.70 0.25 1.25 1.05 - 0.25 - 0.05 0.15

5182 25%(TAMPA)

0.20 0.35 0.15 0.35 4.5 0.10 0.25 0.10 0.05 0.15

Nova liga 3,9 0.54 0.17 0.75 1.32 0.02 0.04 0.05 0.05 0.15

Para caracterização química foram realizadas análises no espectrômetro de

emissão ótica da marca Oxford Instruments Modelo Foundry Master PRO.

Os tratamentos térmicos foram realizados em um forno de retorta vertical a

resistência, com o auxilio de um cadinho de aço inoxidável. O controle da

temperatura foi feito por meio de um termopar tipo “K”. As Figuras 3a, 3b e 3c

apresentam o forno, cadinho utilizado e o croqui esquemático do aparato

experimental.

Figura 3. Forno de retorta vertical a resistência (a) e cadinho de alumina (b) croqui

esquemático do aparato (c).

REDE EXTERNA

120 V

TERMOPAR

TIPO “K”

FORNO A

RESISTÊNCIA

CADINHO DE

ALUMINA

UNIDADE DE

CONTROLE

TAMPA DE LÃ

CERÂMICA


158

As amostras foram cortadas em pedaços e inseridas dentro do cadinho

de aço através de um suporte, no forno indicado acima e submetidas a um

tratamento de solubilização a 530°C por 12 horas. As amostras foram mantidas

nesta temperatura por 5 horas e resfriadas bruscamente em água. Depois do

congelamento da estrutura destas amostras foram reinseridas no forno com a

finalidade de fazer o envelhecimento artificial nos pares de temperatura e

tempo indicados anteriormente no fluxograma. Também foi retirado um grupo

de amostras para analisar o envelhecimento natural. Ao término dos

tratamentos térmicos, as amostras foram desbastadas por lixamento (lixas de

SiC com granulometrias de 200, 320, 400, 600, 1000), seguido de polimento

até 1μm e em sílica coloidal 0,4 μm, depois polimento com óxido de cromo

verde e líquido DP azul e acabamento final com pasta de diamante e sílica

coloidal. Em seguida foram atacadas com solução de 0,5% de HF para obter

sua microestrutura revelada. Para identificar as transformações de fase da

nova liga foi utilizado Módulo de Análise Térmica Diferencial (DTA) da marca

Shimadzu DTA50, Figura 1(a). O aparelho é composto por dois porta amostras

de alumina, conforme mostra a Figura 1 (b), em um dos cadinhos coloca-se a

amostra e o outro, o de referência fica vazio.

Figura 1. (a) DTA utilizado nos experimentos e (b) porta amostras de alumina.

E para acompanhar a evolução da dureza brinell do conjunto de

amostras foram realizados no durômetro instalado no Departamento de

Metalurgia do IFES pelo menos 03 impressões em cada amostra visando uma


159

melhor confiabilidade dos resultados, suficientemente espaçadas, de modo a

não interferirem mutuamente.

3. Resultados e discussão

A partir do ensaio de dureza Brinell foi possível acompanhar a evolução dos

tratamentos térmicos aplicados, bem como comparar os valores encontrados.

Inicialmente, os valores de durezas associados às amostras antes dos

tratamentos térmicos de envelhecimento encontram-se dispostas na tabela 2:

Tabela 2: Durezas relativas às amostras antes dos tratamentos térmicos de envelhecimento

LIGA Dureza (HB)

Lata bruta de fusão 57

Al3,8Si bruta de

fusão 69

Al3,8Si Solubilizada 89

Após o tratamento térmico de solubilização, realizado a 530°C por 12 horas

observa-se que dureza sofreu um incremento de, aproximadamente, 43%

devido à solubilização dos precipitados na matriz que promove o

endurecimento da liga. As figuras 5(a) e 5(b) ilustram a dissolução dos

precipitados e revelou a existência de alguns precipitados insolúveis como os

ricos em ferro, o que era esperado devido a carga de fusão ser proviniente de

reciclagem de latinhas.


160

Figura 5: (a) Al3,9Si Bruta de fusão, (b) Al3,9Si Solubilizada.

A figura 6 apresenta o resultado encontrado para o tratamento de

envelhecimento natural da nova liga estudada. A amostra submetida a este

tratamento foi monitorada durante 600 horas (25 dias). Obteve-se, para este

tratamento, a dureza máxima de 95HB para um tempo de 384 horas. Observa-

se na figura 7, que o par tempo-temperatura que obteve maior dureza foi

correspondente ao envelhecimento a 155°C por 5 horas, a figura 8 ilustra a

singularidade da curva da análise térmica diferencial que comprova a ocorência

de transformações de fases dos precipitados. Este valor evidencia que o

tratamento de solubilização/ envelhecimento empregando os parâmetros

anteriores se mostra extremamente eficiente fornecendo incrementos

satisfatórios de dureza nas ligas a ele submetidas. O tratamento térmico

realizado a 300°C apresentou o fenômeno de superenvelhecimento,

evidenciado pela queda dos valores de dureza obtidos. Isso decorre do fato de

que alta temperatura e longo período de tratamento favorecem a formação de

precipitados com interface incoerente, promovendo o efeito de endurecimento

na matriz, porém, com baixa eficiência. O tratamento de envelhecimento

artificial realizado a 220°C resultou em valores intermediários de dureza com

relação às temperaturas de tratamento anteriores. Foi observado um aumento

discreto da dureza em função do tempo de tratamento, sendo a dureza máxima

obtida igual 99HB.


161

Figura 6. Envelhecimento natural da liga Al-Si

Figura 7. Gráfico de envelhecimento artificial da liga Al-Si para diferentes temperaturas de tratamento.


162

Figura 8. Curva de Análise Térmica Diferencial e Calorimetria Exploratória Diferencial.

4. CONCLUSÃO

A nova liga de Al-3,9%Si obtida através da sucata de latas e adição de

silício metálico pode ser tratada termicamente apresentando uma expressiva

melhora nas suas propriedades mecânicas após a seqüência de tratamentos

de solubilização e envelhecimento artificial. O par temperatura e tempo que se

mostrou mais eficiente no endurecimento da nova liga foi 155°C e 5 horas no

envelhecimento artificial, obtendo-se a dureza máxima de 121,34 HB. Estes

valores são parâmetros técnicos para a referida liga na conformação do estado

semi-sólido da qual está sendo pesquisado o tixoforjamento da mesma.

Tempos inferiores a 0,5h devem ser estudados para a temperatura de 300°C.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Deus, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento

Científico e Tecnológico–CNPq, à Coordenação de Aperfeiçoamento de

pessoal de nível superior – CAPES – Edital N0.11/2009 - PRÓ-

EQUIPAMENTOS INSTITUCIONAL, à Fundação de Amparo à Pesquisa do

Espírito Santo – FAPES – Termo de outorga 035/2009 e ao Programa

institucional de iniciação em desenvolvimento tecnológico e inovação – PIBITI –

IFES – Vitória – ES.


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6. REFERÊNCIAS

(1) ALVES, G. F.; ROMAGNA, E. M.; OLIVEIRA, J. R.; VIEIRA, E. A.: Caracterização

microestrutural de uma nova liga reciclada de Al-Si para tixoconformação. In: XIX

Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, 2010,

Campos do Jordão.

(2) ALVES, G. F.; ANDREATTA, V.; OLIVEIRA, J. R.; VIEIRA, E. A.: Análise térmica

diferencial para o desenvolvimento de uma nova liga Al-Cu para conformação no

estado semi sólido. In: 65º Congresso Anual da ABM, 2010, Rio de Janeiro.

(3) BROMERSCHENKEL, J., COUTINHO, P. H., DE OLIVEIRA, J.R., NASCIMENTO,

VIEIRA, E.A.: Influência da velocidade de resfriamento na precipitação de Al2Cu em

ligas de Al4Cu homogeneizadas. In: 18º Congresso Brasileiro de Engenharia e

Ciências dos Materiais – CBECIMAT, Porto de Galinhas – Pernambuco.

(4) OLIVEIRA, T.F.L. OLIVEIRA, J.R. NASCIMENTO Jr.R.C. FILHO,A.I. VIEIRA,

E.A.. Análise Térmica de Novas Ligas para Conformação no Estado Semi-Sólido. 64º

Congresso Anual da ABM – Internacional. 2009. Belo Horizonte, MG.

(5) CALLISTER, W.D., Ciência e Engenharia de materiais, uma introdução – LTC

2000.

(6) ATKINSON, H. V.: Modelling the semisolid procesing of metalic alloys. Progress in

Materials Science, in press.

(7) FLEMINGS, M. C.: Behaviour of metal alloys in the semisolid state, Metallurgical

Transactions, 22A, (1991), 957– 981.

(8) KIRKWOOD, D. H.: Semisolid metal processing, International Materials Review,

39, (1994), 173-189.

(9) VIEIRA, E. A., FERRANTE, M. Prediction of rheological behaviour and

segregation susceptibility of semi-solid aluminium-silicon alloys by a simple back

extrusion test. Acta Materialia, (2005), 5379-5386.


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http://lattes.cnpq.br/2927812745164570




SOLUBILIZATION AND AGING OF A NEW ALLOY ALUMINIUM-SILICON (Al3,9%Si) RECYCLED FOR PROCEDURES THE THIXOFORGING

A. A. Reis

L. P. Oliveira

C. M. L. Santos

E. A. Vieira

[email protected]

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

ABSTRACT

Thixoforging is the methodology from a solid material conditioned and pre-

partially remelted that after a time delay is formed in an array similar to the

conventional forging whose processing requires high fraction of solid. The study

analyzed which the temperatures and times for solubilization and accelerated

aging tests which determine the best approach to achieve the mechanical

properties of higher mechanical resistance as possible to a new heat-treatable

alloy obtained by the recycling process for aluminum cans with added 3 9%

silicon metal. We used the evolution of hardness, microstructural analysis and

more to differential thermal analysis (DTA) of samples to enable the use of this

new alloy in semisolid state (ESS)

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


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