UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES – NITERÓI

Marcela Fialho Gomes109570262

TRATAMENTOS TÉRMICOS DO MAGNÉSIO E DAS SUAS LIGAS

TRABALHO SOBRE TRATAMENTOS TÉRMICOS DO MAGNÉSIO E DAS SUAS LIGAS

NITERÓI,

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ABRIL DE 2011

I. Introdução

O trabalho em questão aborda o tema magnésio e suas ligas. Sendo o magnésio, o sexto elemento mais abundante na crosta terrestre. O magnésio possui inúmeras características que permitem que ele seja usado com bastante frequência no mercado, principalmente no mercado automobilístico e no mercado de aviação.

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II. HISTÓRICO O nome de magnésio provém de Magnésia, nome de cidade da Ásia.Embora os compostos de magnésio fossem conhecidos de longa data somente em 1975 Black caracterizou-o como elemento. Foi obtido pela primeira vez por Humphry Davy numa forma impura, sendo só em 1928 obtido no seu estado puro por Bussy e Liebig. É o sexto elemento em abundância, constituindo cerca de 2,76% da crosta terrestre, e o terceiro metal mais usado,na sequência de ferro e alumínio. É um metal cinza-prateado que é principalmente usado como elemento de liga para o alumínio, zinco e outras ligas não-ferrosas. O magnésio é dúctil e o mais maquinável de todos os metais. Na natureza, este elemento encontra-se na água dos oceanos, em salinas naturais e em rochas como a dolomite, MgCa (CO₃)² ou a Magnesita , MgCO₃ em plantas fazendo parte da clorofila e existindo também como componente essencial no corpo humano. Não é encontrado em forma pura, porém entra na composição de mais de 60 minerais, sendo os mais importantes industrialmente os depósitos de dolomita, magnesita, brucita, carnallita, serpentina, kainita e olivina. Os principais minerais são a Magnesita (carbonato de magnésio, MgCO₃) e a dolomita (carbonato duplo de cálcio e magnésio, (MgCa(CO₃)²). Água do mar contém cerca de 1300 ppm de magnésio em peso, na forma de cloreto (MgCl2)O metal é obtido principalmente pela eletrólise do cloreto de magnésio fundido (MgCl₂), método que já foi empregado por Robert Bunsen, obtendo-o de salmouras e água de mar ou de salmouras ricas em sais de magnésio..Também pode ser produzido pela redução direta de um minério com um agente redutor adequado (exemplo: dolomita (dolomite) calcinada (MgO.CaO), óxido de magnésio (MgO) com ferrossilício. Industrialmente, só a eletrólise é usada.

Gráfico 1 – Densidades de alguns elementos.

Magnésio (Mg)Berílio (Be)

Alumínio (Al)Titânio (Ti)Zinco (Zn)Ferro (Fe)Niquel (Ni)

Cobre (Cu)Estanho (Sn)

Tungsténio (W)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Densidade (ton/m^3)

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O magnésio é o mais leve dos metais estruturais com a densidade de 1,74 g/cm3

como mostra a tabela acima. O magnésio é um metal reativo usualmente encontrado na natureza sob a forma de óxido, carbonato ou silicato, muitas vezes em combinação com o cálcio.

O uso de magnésio concentra-se basicamente em três propriedades deste metal: - a sua tendência á formação de compostos intermetálicos com outros metais; - a sua alta reatividade; - a sua baixa densidade.

Tabela 1: Propriedades do Magnésio.

Número atômico 12 Massa atômica 24,31Cor Cinza prateadoDensidade 1, 738 g/cm-3 a 20ºCPonto de fusão 650ºCPonto de ebulição 1103ºCEstrutura cristalina HCPCalor de combustão 25020 kJ*kg-1

Temperatura da chama ~2800ºCCalor de fusão 368 kJ*kg-1

Calor de vaporização 5272 kJ*kg-1

Calor específico 1025 J*K-1 a 20ºCPressão de vapor 360 Pa a 650ºEstado de valência Mg2+

Viscosidade 1,25

A produção mundial de magnésio é pequena quando comparada com outros metais estruturais como aço ou alumínio, o seu valor é de cerca de 300000 t/a. Metade do magnésio produzido é usado diretamente nas ligas de alumínio para melhoria das suas propriedades mecânicas (a adição de Mg as estas ligas varia entre 1,5

a 4,5%), outras aplicações importantes são;

- fundição em molde ou areia, de componentes metálicos;- dessulfuração do aço;- inoculação de ferro fundido;- como reagente químico;- para proteção anódica contra a corrosão (ex.: estruturas de aço tipo cascos de navio, bidões de gás e petróleo ou esquentadores domésticos.

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III. Tipos de Ligas de Magnésio

3.1 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 á corrosão. As ligas AM60 e AM100 são dois exemplos de ligas mais comercializadas.Segue abaixo o Diagrama de fases de uma curva de resfriamento liga magnésio ( ZAXL a05413) com resfriamento,podemos verificar a presença do alumínio (como elemento majoritário),verificando a TL estando próxima a 615 ºC e a temperatura final de solidificação ficando próxima de 590 ºC.

3.2 Ligas Mg-Al-Zn

As ligas de Mg-Al-Zn têm uma importância industrial pois apresenta uma boa combinação de baixo peso, resistência mecânica e resistência à corrosão. A adição de zinco aumenta a resistência desta ligas por solução sólida e precipitação. O aumento do teor deste elemento pode provocar um aumento da microporosidade e da contracção 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, é também a que tem maior produção na fundição injectada. 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.

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3.3 Ligas de 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 zircónio refina o grão.

3.4 Ligas de 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 baixo ponto de fusão eutéctico 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.

3.5 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 objectivo de melhorar as propriedades mecânicas a altas temperaturas surgiu a liga QE22A a prata substitui algum zinco e as propriedades mecânicas são melhoradas pela acção de afinação do grão através do zircónio. 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. 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. Hoje em dia, algumas indústrias de fundição injetada já fazem a sua própria refusão. Entretanto o custo de uma operação desta maneira,incluindo controle ambiental,é considerado um pouco alto e talvez não se torne um investimento atrativo. Equipamento especial é fundamental para que se possa assegurar a qualidade do metal obtido a partir do sistema de reciclagem.

IV. Ligas de magnésio e suas propriedades

As ligas de magnésio estão cada vez mais a ser usadas devido às suas excelentes propriedades, tais como:- alta resistência;- baixa ductilidade;

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- baixo ponto de fusão;- boa maquinabilidade;- soldável;- boa resistência à corrosão;- boa resistência à fadiga;- alta resistência ao impacto.

4.1 Resistência à corrosão

A maior desvantagem apresentada pelo magnésio e pelas suas ligas reside na fraca resistência à corrosão. Como todos os metais muito oxidáveis, a sua estabilidade só pode ser conseguida por meio de proteção adequada da superfície. O magnésio e suas ligas não formam uma película natural de óxido que proteja o metal. As ligas de magnésio escurecem quando expostas ao ar, pela formação de uma camada de hidróxido de magnésio ou de carbonato de magnésio, a qual não impede a continuação do ataque. Para aplicações sujeitas a instabilidades térmicas é importante que o metal seja polido e isento de bolhas podendo estas ser regiões de acumulação de umidade. As ligas que forem empregues em ambientes salinos devem ser cuidadosamente protegidas. Nas ligas de magnésio, a diminuição da resistência mecânica provocada pela corrosão pode ser estimada pela intensidade do ataque superficial.

4.2 Reciclagem das Ligas de Magnésio

Todas as ligas de magnésio obtidas por fundição injetada podem ser recicladas. Os diferentes tipos de retornos podem ser classificados conforme a qualidade do metal primário pela seleção do processo de reciclagem correto. Estes retornos podem ser obtidos a partir do material não utilizado estando em muitos casos cobertos com óleo ou tinta que deverá ser removida antes de uma nova fusão. Porém todo cuidado deve ser tomado em conta de modo a evitar a contaminação do fundido. Uma série de processos de reciclagem está em uso, baseada no uso de fluxos purificados assim como métodos de fluxos livres.O material de retorno é, em primeiro lugar, fundido com a proteção de um fluxo e depois refinado no mesmo tipo de refinamento e forno de fundição como o usado para o metal primário. O produto resultante tem as mesmas especificações do metal, primárias sendo as suas propriedades indistinguíveis do derivado da fonte primária do metal.

Tabela 2: Propriedade das Ligas de Magnésio.

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V. Tratamentos Térmicos das Ligas de Magnésio

As ligas de magnésio são tratadas termicamente de modo a permitirem um melhoramento das propriedades das peças em bruto vazamento.Os tratamentos térmicos efectuados vão alterar as propriedades do material, tais como ductilidade, resistência à tracção, dureza, etc.Um dos grandes objetivos dos tratamentos térmicos é a redução da dilatação das peças quando submetidas a elevadas temperaturas de serviço.

Na execução dos tratamentos térmicos são considerados diferentes fatores que determinam a escolha da temperatura e tempo de estágio.A temperatura á qual se realiza o tratamento depende principalmente da composição química do material, enquanto que o tempo de estágio depende da geometria da peça e da microestrutura desejada. A definição destes parâmetros é feita considerando dados experimentais, tendo sempre em consideração o aspecto financeiro.

5.1Tipos de Tratamentos Térmicos

5.1.1 Tratamento Térmico de Solubilização-T4 Este tratamento provoca um aumento da resistência à tracção, da ductilidade e da resistência ao impacto mas diminui ligeiramente a tensão de cedência e a dureza.Gama de temperaturas: 340 a 565ºC.

5.1.2 Tratamento Térmico de Envelhecimento-T5

Este tratamento origina um aumento da tensão de cedência e da dureza.Gama de temperaturas: 120 a 230ºC.

5.1.3 Tratamento Térmico de solubilização seguido de um Envelhecimento-T6

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Este tratamento térmico (T4 seguido de T5) origina um aumento considerável da tensão de cedência e da dureza, no entanto diminui a resistência ao impacto e a ductilidade.

5.1.4 Tratamento Térmico de Solubilização seguido de Estabilização-T7

Este tratamento térmico tem como principal objectivo a obtenção do máximo alívio de tensões e da mínima dilatação que as peças apresentam, quando sujeitas a elevadas temperaturas.

VI. Aplicações das Ligas de Magnésio

As ligas de magnésio têm uma vasta aplicação resultante das suas excelentes propriedades, dentro das quais se podem referir a sua dureza, resistência ao impacto, baixa densidade, etc. Estas ligas aplicam-se na indústria automóvel, aeroespacial, equipamentos comerciais, etc. Alguns dos exemplos são a seguir ilustrados (Figura 1 e 2).

Figura 1 e 2: Componentes do sistema de transmissão de um helicóptero.

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A imagem abaixo 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 2,74kg/veículo de ligas de magnésio no Brasil,contra 4,4 kg/veículos no Mercado mundial.

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VII. Classificação das ligas de magnésio

O sistema da ASTM estabelece que as ligas de magnésio, divididas em fundidas e trabalhadas, são designadas por um conjunto de caracteres alfanuméricos, no qual as duas primeiras letras se referem aos dois principais elementos de liga, os números seguintes são relativos aos teores nominais de cada um destes elementos e a letra posterior indica variações da liga básica associadas à introdução de outros elementos minoritários. Após o hífen indica-se o tratamento térmico ou termomecânico de modo semelhante ao que ocorre com as ligas de alumínio. Sendo assim, a liga de magnésio mais conhecida e utilizada, designada por AZ92A-T6, significa uma liga com 9 % de alumínio e 2 % de zinco em sua composição básica (A) e submetida ao tratamento térmico de solubilização e envelhecimento com o objetivo de obter dureza máxima (T6).

VIII. Nomenclatura das Ligas de Magnésio:

Neste sistema as duas primeiras letras indicam os elementos de liga principais de acordo com o seguinte código: A – Alumínio H – Tório Q – PrataB – Bismuto K – Zircônio R – CromioC – Cobre L – Berílio S – SilícioD – Cádmio M – Manganês T – EstanhoE – Terras Raras N – Níquel Z – ZincoF – Ferro P – Chumbo

A primeira letra indica o elemento de liga que se encontra em mais alto teor. As duas letras são seguidas de números que indicam as composições nominais (Percentagens em peso) dos principais elementos de liga. As letras “A”, “B” etc, no final referem-se a variações da composição nominal. A última parte indica o tratamento térmico e/ou mecânico efetuado na liga:

F – Não tratadoO – RecozidoH10 e H11 – Levemente EncruadoH23, H24, H26 – Encruado e parcialmente recozidoT4 – Tratamento térmico de solubilizaçãoT5 – Envelhecido artificialmenteT6 – Tratamento térmico de solubilização e envelhecido artificialmente (T4 e T5)[4]

Exemplo: Liga AZ81A-T4

A liga é constituída por alumínio e zinco, com 8 e 1% respectivamente. Foi realizado um tratamento térmico de solubilização a esta liga.

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IX. Tabelas com Propriedades e Características das Ligas de Magnésio:

Tabela 3: Composição nominal das ligas de magnésio para fundição.

LigaDesignação ASTM

Processo de Fundição

Al %Mn %min

Zn % Zr %Metais Terras Raras %

Th %

AM100AAZ63AAZ81AAZ91A, BAZ91C

A ou MPAA ou MPSPA ou MP

10,06,07,69,08,7

0,100,150,130,130,13

3,00,70,70,7

AZ92AZE41AZK55AZH42ZH62A

A ou MPAAAA

9,0 0,10

2,04,24,64,05,7

0,70,70,50,7

1,252,01,8

EK30AEZ33AEK41AHK31AHZ32A

AA ou MPA ou MPAA

2,6

2,1

0,20 min0,70,70,70,7

3,43,24,0

3,23,2

Tabela 4: Efeito da temperatura no limite de escoamento de ligas de magnésio fundidas em areia (kg/mm2).

Temperatura(ºC)

LIGAAZ92A-T6 ZK51A-T5 ZH72A-T5 EZ33A-T5 HZ32A-T5 HK31A-T6

50100150200250300350

15,614,111,68,66,03,9

16,814,312,09,46,54,6

18,015,913,610,87,65,0

11,110,49,58,06,35,14,2

9,68,57,77,06,45,75,1

11,611,110,610,19,48,56,7

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X. Conclusão

Um dos principais motivos para o uso do magnésio e suas lugas mundiais é a economia de combustível,particularmente na indústria automóvel,ou seja,tem objetivos é a produção de automóveis mais leves, portanto, há uma grande interesse da substituição do aço por metais estruturalmente mais leves ( Mg e Al).São interessantes também devido a provavel rapidez na fundição,a redução dos custos de maquinagem, redução do custo de transporte dos materiais devido à sua menor massa. As ligas de magnésio possuem propriedades bem atrativas, porém um dos motivos do qual é evitado seu uso é a baixa resistência a corrosão especialmente em ambientes ácidos e em condições de água e sal. No entanto as aplicações do magnésio e suas ligas vêm crescendo a cada dia, existem vantagens e desvantagens para seu uso, porém existe um problema com esse uso tão crescente, pois a procura dos seus fundidos tem aumentado cerca de 15% ao ano,ultrapassando a sua produção.Por essa razão o preço do magnésio é elevado,não havendo incentivo no seu uso

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XI. Bibliografia

Avedesian, M.M., Baker, H., ASM Specialty Handbook, Magnesium and magnesium alloys, 1999.

Polmear, I.J., Light alloys: metallurgy of the light metals, Third edition, 1995, Arnold, London, ISBN 0-340-63207.

Smith, W.F., Structure and properties of engineering alloys, second edition, 1993, McGraw-Hill, ISBN 0-70-112829-8.

Kainer, K.U. (editor), Magnesium alloys and technology, DMG,2003, WILEY-VCH, ISBN 3-527-30256-5.

www.sut.ac.th/

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