DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR. Ana Carolina de Moraes

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM i Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Ana Carolina de Moraes ESTUDO DA CORROSÃO INTERGRANULAR EM LIGAS DE ALUMÍNIO DE FUNDIÇÃO INFLUÊNCIAS DO TEOR DE COBRE E DO TRATAMENTO DE SOLUBILIZAÇÃO. Apresentada em 30 / 10 / 2006 Perante a Banca Examinadora: Dr. Guilherme Ourique Verran Dr. César Edil da Costa Dr. Enori Gemelli Dra. Iduvirges Lourdes Muller UDESC (Presidente) UDESC (Membro) UDESC (Membro) UFRGS (Membro)

2 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM ii Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Ana Carolina de Moraes ESTUDO DA CORROSÃO INTERGRANULAR EM LIGAS DE ALUMÍNIO DE FUNDIÇÃO INFLUÊNCIAS DO TEOR DE COBRE E DO TRATAMENTO DE SOLUBILIZAÇÃO. Apresentada em 30 / 10 / 2006 Perante a Banca Examinadora: Dr. Guilherme Ourique Verran Dr. César Edil da Costa Dr. Enori Gemelli Dra. Iduvirges Lourdes Muller UDESC (Presidente) UDESC (Membro) UDESC (Membro) UFRGS (Membro)

3 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS PGCEM iii DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Mestrando: ANA CAROLINA DE MORAES Química Industrial Orientador: Prof. Dr. GUILHERME OURIQUE VERRAN CCT/UDESC JOINVILLE ESTUDO DA CORROSÃO INTERGRANULAR EM LIGAS DE ALUMÍNIO DE FUNDIÇÃO INFLUÊNCIAS DO TEOR DE COBRE E DO TRATAMENTO DE SOLUBILIZAÇÃO. DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. GUILHERME OURIQUE VERRAN. Joinville 2006

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5 v FICHA CATALOGRÁFICA NOME: MORAES, Ana Carolina. DATA DEFESA: 30/10/2006 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 65 CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais TÍTULO: Estudo da Corrosão Intergranular em Ligas de Alumínio de Fundição Influências do teor de cobre e do Tratamento de Solubilização. PALAVRAS-CHAVE: Ligas de alumínio, Solubilização, Corrosão intergranular, Fundição. NÚMERO DE PÁGINAS: 83p. CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: P 9 ORIENTADOR: Dr. Guilherme Ourique Verran PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Guilherme Ourique Verran MEMBROS DA BANCA: Dr. César Edil da Costa, Dr. Enori Gemelli, Dra. Iduvirges Lourdes Muller.

6 vi O vínculo que te prende a tua verdadeira família não é de sangue, mas de respeito e de prazer mútuo (Richard Bach). Aos meus familiares pela dedicação e incentivos à minha formação.

7 vii AGRADECIMENTOS A Deus em primeiro lugar, por me conceder saúde e força em todos os momentos. Ao Prof. Dr. Guilherme Ourique Verran, pela confiança, amizade e pela seriedade durante a orientação. À Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC e ao programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais PGCEM pela realização do presente trabalho. Ao professor Dr. César E. da Costa, pela contribuição na parte experimental deste trabalho. Aos professores Dr. Massahiro Tomyama e Dr. Luiz Veriano Dalla Valentina, pela atenção, disposição e acima de tudo pela amizade. À CAPES pela bolsa de estudos a mim concedida. Aos bolsistas da Universidade do Estado de Santa Catarina, em especial aos bolsistas, Ângelo A. Verri e Arthur Rômulo, pela amizade, ajuda e dedicação em tantos momentos de trabalho. Aos professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais: CMA (Luís C. Fontana), MME (Milton P. de Borba), TEX (César E. da Costa, Marilena V. Folgueras, Massahiro Tomyama e Enori Gemelli), TMA (Marilena

8 viii V. Folgueras), MFI (Guilherme O. Verran), COR (Enori Gemelli), SMP (Luiz Veriano Dalla Valentina), TTT (Wilson Guesser) e PMM (José D. Bressan). do curso. À querida Nadir Radoll Cordeiro, pelo carinho e amizade durante a realização Em especial, aos meus pais, Arino e Neusa Moraes, pelo amor e pelas recomendações que me levaram sempre às decisões corretas. Às minhas irmãs, Giselle e Adriana, e ao Robson Stocco, pelo carinho e apoio moral recebido durante o desenvolvimento deste trabalho. Aos demais familiares. Aos grandes amigos e colegas do mestrado, aos quais agradeço infinitamente pela ajuda e companheirismo durante todo o curso. A todas as pessoas que de forma direta ou indireta colaboraram com a realização do presente trabalho.

9 ix RESUMO Trabalhos anteriores mostraram que o elemento cobre, mesmo num teor de impureza (menos de 0,3%Cu), altera substancialmente a suscetibilidade à corrosão intergranular nas ligas de denominação comercial 356 (composição nominal Al7Si0,3Mg). Este trabalho tem por objetivo avaliar a influência de variações nos teores do elemento cobre e o efeito do tratamento térmico de solubilização sobre a tendência à corrosão intergranular em amostras das ligas de denominação comercial 356 e das ligas do sistema Al-Cu fundidas em moldes permanentes. As ligas foram fabricadas usando forno elétrico à indução e envolvendo teores do elemento cobre tanto como impureza quanto como elemento de liga. Foram avaliadas amostras na condição bruta de fusão e solubilizadas utilizando seis horas de aquecimento, após a passagem deste período numa temperatura aproximada de 540 ± 10ºC, um resfriamento rápido em água foi feito para manter na temperatura ambiente, a solução sólida obtida à alta temperatura. A resistência à corrosão foi avaliada através da perda em massa após as amostras terem sido submetidas a ensaios de corrosão intergranular realizados de acordo com a norma ASTM G Os resultados obtidos indicam uma forte influência do elemento cobre sobre o aumento da tendência à corrosão nas ligas investigadas, e alterações nesse comportamento nas comparações entre as condições brutas de fusão e solubilizadas. Palavras-chave: Ligas fundidas de alumínio. Solubilização. Corrosão intergranular. Fundição.

10 x ABSTRACT It is well known that the element copper, even with an impurity level less than 0,3% modifies substancially the susceptibility to intergranular corrosion in alloys of commercial denomination 356 (nominal composition Al7Si0,3Mg). This paper aims to evaluate the influence of variations in the content of the element copper and the effect of thermal treatment of solubilization on the tendency to intergranular corrosion in samples of alloys of commercial denomination 356 and the Al-Cu system alloys melted in permanent moulds. The alloys were produced using an induction electric oven and involving contents of the element copper as impurity as well as alloy element. Samples were evaluated in fusion and heat treatment conditions utilizing six hours of heating in temperatures of approximately 540 ± 10ºC, and then a fast cooling in water so that the solid solution obtained be maintained in room temperature. The resistance to corrosion was evaluated by the decrease of mass after the samples were subjected to intergranular corrosion tests carried out according to the ASTM G norm. The results obtained indicate a strong influence of the element copper on the increase of the tendency to corrosion in the investigated alloys, and alterations in this behavior in the comparisons between the fusion and the solubilized conditions. Keywords: Melted Aluminum Alloys. Solubility. Intergranular Corrosion. Foundry.

11 xi LISTA DE ILUSTRAÇÕES 1.1 Corrosão Intergranular observada em peças corroídas através de MEV Fluxograma básico de uma refinaria Diagrama de fases hipotético A-B Diagrama de Equilíbrio Al-Cu Tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento Representação esquemática da microestrutura da liga Al-4%Cu (a) Coquilha utilizada para a obtenção das amostras (01) e disco com massalote (02), (b) Representação da coquilha (a) Forno elétrico à indução, (b) bobina do forno (01) e cadinho utilizado na fundição (02) Seqüência de preparação das amostras utilizadas nas séries experimentais. (1) Disco com massalote. (2) Disco. (3) Corpo-de-prova utilizado nas séries experimentais Representação esquemática do ciclo térmico durante o tratamento de solubilização Limpeza inicial das amostras para os ensaios de corrosão, (a) imersão em solução de limpeza (HNO 3 + HF) a 93ºC por 01 minuto, (b) imersão em ácido nítrico concentrado por 01 minuto Ensaio de corrosão usando solução teste (NaCl + H 2 O 2 ) Imersão dos corpos de prova em solução para remoção dos produtos de corrosão (H 3 PO 4 + CrO 3 ) Seqüência da apresentação dos resultados obtidos Perda em Massa da Liga 356 com variação do teor de cobre. Amostras BF da série experimental

12 xii 6.3 Perda em Massa da Liga 356 com variação do teor de cobre com 6h de solubilização. Série experimental Comparativo entre as amostras brutas de fusão e com 6h de solubilização. Série experimental Comparativo entre amostras X (0,07%Cu), brutas de fusão (a) e após seis horas de tratamento térmico de solubilização (b). MO Comparativo entre amostras Y (0,26%Cu), bruta de fusão (figura a) e após seis horas de tratamento térmico de solubilização (figura b). MEV Micrografia de uma amostra bruta de fusão após 6 horas de ensaio de corrosão. Vista num corte lateral da amostra. Penetração da corrosão. MO Perda em Massa da Liga 356 com variação do teor de cobre. Amostras BF da série experimental Perda em Massa da Liga 356 com variação do teor de cobre com 6h de solubilização. Série experimental Comparativo entre as amostras brutas de fusão e com 6h de solubilização. Série experimental Observação de precipitado de cobre. Análise das regiões 1 e 2. MEV Observação de um precipitado de cobre, região 1 (figura a), e região 2 (figura b). Indícios de alumínio e cobre Perda em Massa da Liga Al-Cu com variação do teor de cobre. Amostras BF da série experimental Perda em Massa da Liga Al-Cu após 6h de solubilização. Série experimental Comparação entre as amostras brutas de fusão e tratadas termicamente. Série experimental Comparativo entre amostras X (0,13%Cu), bruta de fusão (figura a) e após seis horas de tratamento térmico de solubilização (figura b). MO Comparativo entre amostras Z (2,09%Cu), bruta de fusão (figura a) e após seis horas de tratamento térmico de solubilização (figura b). Ocorrência de corrosão observada pela retirada de material. MEV Perda em Massa da Liga Al-Cu com variação do teor de cobre. Amostras BF da série experimental Perda em Massa da Liga Al-Cu após 6h de solubilização. Série experimental

13 xiii 6.20 Comparação entre as amostras brutas de fusão e após 6h de solubilização. Série experimental Comparativo entre as amostras C (2,6%Cu). Amostra C04 bruta de fusão (a) e amostra C65 após seis horas de tratamento térmico de solubilização (b). MO Imagens obtidas pelo MEV da amostra D05 (4,0%Cu), bruta de fusão. MEV Comparativo entre as amostras, C04, 2,6%Cu (a) e D05, 4,0%Cu (b). Brutas de fusão. MEV....77

14 xiv LISTA DE TABELAS 2.1 Algumas propriedades do alumínio metálico Principais elementos de ligas e os efeitos ocasionados pela sua introdução Características e aplicações de algumas ligas de fundição Designação das Ligas de Alumínio Designação dos Tratamentos térmicos das Ligas Fundidas Relação das principais ligas metálicas não-ferrosas susceptíveis à corrosão intergranular Comportamento de algumas ligas de alumínio em relação à corrosão intergranular Quantidade de corridas experimentais realizadas em cada série e teor do elemento cobre almejado na elaboração das ligas Sumário de corridas experimentais realizadas em cada série Condições em que as amostras foram avaliadas Resultados obtidos na avaliação da composição química das ligas estudadas Percentuais de cobre nas amostras ensaiadas da série Perda percentual em massa das amostras BF da série experimental Perda percentual em massa das amostras com 6h de solubilização da série experimental Percentuais de cobre nas amostras ensaiadas da série Perda percentual em massa das amostras brutas de fusão da série Perda percentual em massa das amostras com 6h de solubilização série Composições dos elementos químicos encontrados nas regiões 1 e Percentuais de cobre nas amostras ensaiadas da série

15 xv 6.10 Perda percentual em massa da série experimental 03 sem tratamento térmico Perda percentual em massa da série experimental 03 após 6h de solubilização Percentuais de cobre nas amostras ensaiadas da série Perda em massa das amostras brutas de fusão da quarta série de experimentos Perda percentual em massa da quarta série experimental após 6h de solubilização....73

16 xvi SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO CONTEXTUALIZAÇÃO OBJETIVOS ESTRUTURA DO TRABALHO...4 CAPÍTULO 2 ALUMÍNIO E SUAS LIGAS HISTÓRICO E PRODUÇÃO DO ALUMÍNIO PROPRIEDADES DO ALUMÍNIO E SUAS LIGAS FUNDIÇÃO DE LIGAS DE ALUMÍNIO APLICAÇÕES DO ALUMÍNIO CONSIDERAÇÕES...14 CAPÍTULO 3 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM LIGAS DE ALUMÍNIO DESIGNAÇÕES DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS CONSIDERAÇÕES...21 CAPÍTULO 4 CORROSÃO GENERALIDADES Mecanismos de corrosão Mecanismo químico Mecanismo eletroquímico Formas de corrosão localizada Corrosão Galvânica Corrosão por pites Corrosão em frestas CORROSÃO INTERGRANULAR CORROSÃO INTERGRANULAR EM LIGAS DE ALUMÍNIO Aspectos relacionados à corrosão intergranular em ligas de alumínio Corrosão intergranular em ligas de alumínio na presença de cobre ENSAIOS DE CORROSÃO Corrosão intergranular CONSIDERAÇÕES...38 CAPÍTULO 5 MATERIAIS E MÉTODOS PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...40

17 xvii Corridas experimentais: fundição de corpos de prova para as diferentes séries e análises de caracterização Descrição das corridas experimentais Realização de tratamentos térmicos de solubilização Especificação da técnica para a realização dos ensaios de corrosão intergranular Ensaios de corrosão intergranular usando os procedimentos previstos na Norma ASTM G Remoção dos produtos de corrosão usando os procedimentos previstos na Norma ASTM G MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS Perda em massa Análise via microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) CAPÍTULO 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES FUNDIÇÃO DE CORPOS DE PROVA PARA AS DIFERENTES SÉRIES E ANÁLISES DE CARACTERIZAÇÃO Sistema AlSiMg Sistema Al-Cu...66 CAPÍTULO 7 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...80 CAPÍTULO 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...81