TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico
17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil
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.
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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:
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Preparação da matéria prima (fusão das latas) e adição de Si
Análise térmica DiferencialDTA
Nova liga Al3,8%Si
Análise Microestrutural
microscópio ótico
(M.O)
Análise química /
Homogeneização
Análise Microestrutural
microscópio ótico (M.O)
Tratamento térmico de solubilização
530°C por 12h
Envelhecimento natural
0-600 horas
Tratamento de Envelhecimento
Artificial
155°C
0,5h
220°C
1h
2h
3h
300°C
4h
5h
6h
Preparação metatográfica
Ensaio Mecânico / dureza
brinell
Observação em
M.O
Determinação par tempotemperatura (T6)
Figura 1 . Fluxograma das atividades realizadas
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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.
Res. Máx.
LIGA
3004
75%(CORPO)
5182
25%(TAMPA)
Nova liga
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
0.30
0.70
0.25
1.25
1.05
-
0.25
-
0.05
0.15
0.20
0.35
0.15
0.35
4.5
0.10
0.25
0.10
0.05
0.15
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.
TAMPA DE LÃ
CERÂMICA
TERMOPAR
TIPO “K”
FORNO A
RESISTÊNCIA
CADINHO DE
ALUMINA
REDE EXTERNA
120 V
UNIDADE DE
CONTROLE
Figura 3. Forno de retorta vertical a resistência (a) e cadinho de alumina (b) croqui
esquemático do aparato (c).
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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
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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
endurecimento da liga.
dos
precipitados
na
matriz
que
promove
o
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.
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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. Observase 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.
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Figura 6. Envelhecimento natural da liga Al-Si
Figura 7. Gráfico de envelhecimento artificial da liga Al-Si para diferentes temperaturas de
tratamento.
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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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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 prepartially 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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