CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DA LIGA DE ALUMÍNIO 319 PROCESSADA POR SPRAY E FORJADA

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1 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DA LIGA DE ALUMÍNIO 319 PROCESSADA POR SPRAY E FORJADA B.J.M. Freitas a ; O. C. Brondino b ; C.S. Kiminami a,c, W.J. Botta a,c, C. Bolfarini a,c a Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais (PPGCEM), Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) b Departamento de Engenharia de Materiais (DAEMa), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) c Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa), Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) Rodovia Washington Luís, km 235, , São Carlos, SP, Brasil brenda@alunos.utfpr.edu.br RESUMO O efeito de diferentes teores de ferro na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga de alumínio 319 conformada por spray e forjada foi analisado. A microestrutura foi avaliada por MEV/EDS e por DRX. O refinamento microestrutural promovido pelo spray forming viabilizou a conformação termomecânica da liga de Al-Si altamente contaminada com ferro (0,6 e 1,2 %p). Os ensaios de tração à temperatura ambiente demonstraram que a liga conformada por spray e forjada apresentou um alongamento significantemente maior quando comparada com a condição fundida convencionalmente. Dessa forma, os resultados indicam que a aplicação desse material pode ser estendida pata além do campo restrito da fundição, ampliando sobremaneira as possibilidades de reciclagem para produtos com maior valor agregado. Palavras-chave: 319, conformação por spray, forjamento rotativo, alongamento, intermetálicos de Fe. INTRODUÇÃO As ligas de alumínio-silício são as mais utilizadas no setor automotivo devido ao baixo custo da matéria-prima, boa fundibilidade e boa resistência à corrosão. As ligas da série 3XX apresentam uma grande aplicabilidade na 5421

2 indústria automotiva (blocos e cabeçotes de motores) devido as propriedades mecânicas moderadas e baixo peso (1, 2).. Uma grande parte das ligas de alumínio são oriundas de material reciclado (3), tal como a liga 319. Uma característica dessas ligas secundárias é que, devido ao ciclos de reciclagem, o ferro se incorpora facilmente à sucata de alumínio como uma impureza (4-6) e, por consequência da baixa solubilidade do ferro no alumínio sólido (1, 7), ocorre a formação de fases intermetálicas ricas em Fe, como a fase β-al5fesi e a α-al8fe2si, sendo que a primeira, devido a sua morfologia de placas, atua como um concentrador de tensão e é conhecida por ser mais deletéria às propriedades mecânicas do componente (4-6). Dessa forma, a natureza frágil dos intermetálicos ricos em ferro dificulta o processamento mecânico do material, tais como a laminação, forjamento e extrusão (8), o que praticamente limita o seu uso para o setor da fundição. Além disso, uma outra característica importante dessas ligas é a distribuição e a morfologia em placas do silício eutético, que também exerce um efeito negativo na ductilidade do componente fundido (9). Na indústria de fundição é muito comum a introdução de Na ou Sr no banho metálico para converter a morfologia em placas do silício eutético para uma forma mais fibrosa com o objetivo de aumentar a ductilidade da liga (10). No entanto, quando tracionado a temperatura ambiente, as ligas hipoeutéticas de Al-Si contaminadas com ferro apresentam um alongamento à fratura baixo, na faixa de 0-2%, mesmo com os tratamentos de modificação do eutético e de redução da porosidade (11). Nesse cenário, apesar de apresentarem um custo de fabricação relativamente baixo, as ligas de Al-Si fundidas não são recomendadas para a aplicação em componentes estruturais (12). De modo a aprimorar as propriedades mecânicas e, consequentemente, permitir o emprego desse material em produtos com maior valor agregado, técnicas como a conformação por spray e a metalurgia do pó vêm sendo consideradas como uma alternativa para o processamento dessas ligas devido ao grande refino e homogeneização microestrutural. A técnica de conformação por spray aplicada em ligas de alumínio é capaz de promover a formação de uma microestrutura de grãos equiaxiais e partículas de segunda fase refinadas e uniformemente distribuídas na matriz de 5422

3 Al-α, além de melhorar consideravelmente as propriedades mecânicas do componente (13-15). Este trabalho tem o objetivo de investigar a influência de dois diferentes teores de ferro na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga hipoeutética de Al-Si conformada por spray. MATERIAIS E MÉTODOS Amostras da liga 319 com dois diferentes teores de ferro (identificadas como A1 e A2) foram submetidas a conformação por spray e, em seguida, ao forjamento rotativo. Na Tabela 1 apresenta-se a composição química, obtida por espectrometria de emissão ótica (OES), das amostras conformadas por spray e da respectiva liga fundida convencionalmente (identificada como FC) extraída de um cabeçote de motor. Tabela 1 Composição química das amostras conformadas por spray e fundida convencionalmente (%p). Amostras Al Si Cu Fe Mn A1 balanço 5,45 3,14 0,65 0,13 A2 balanço 5,03 3,00 1,20 0,21 FC a balanço 6,85 3,38 0,70 0,24 a fundida convencionalmente As amostras foram conformadas por spray utilizando-se uma pressão de atomização de 0,5 MPa e uma distância entre o bocal e o substrato de 330 mm. A atomização foi realizada utilizando-se N2 e o material foi depositado sob um substrato de aço. Em seguida, as amostras foram submetidas ao forjamento rotativo a uma temperatura de 300 ºC e redução de área de 5:1. Para análise microestrutural, foi utilizado microscópio eletrônico de varredura (MEV) acoplado ao EDS. Além disso, as fases presentes no material foram analisadas através de difração de raio-x. A porosidade foi avaliada via análise de imagens pelo software ImageJ, utilizando-se vinte campos por amostra com magnificação de 100X. 5423

4 As propriedades mecânicas foram avaliadas através do ensaio de tração a temperatura ambiente (de acordo com a norma E8/E8M-16) e, para cada condição, cinco corpos-de-prova foram utilizados. Com o intuito de permitir uma comparação entre os processamentos, a liga fundida convencionalmente também foi avaliada. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 1 apresenta-se a microestrutura da amostra conformada por spray (A2) e da amostra fundida convencionalmente (FC). A microestrutura da amostra A1 apresenta características semelhantes à da A2, exceto por apresentar uma menor quantidade de partículas intermetálicas ricas em ferro devido a menor concentração desse elemento na composição (0,66 %p), por essa razão, a micrografia da amostra A1 não foi exposta. De modo geral, a microestrutura das amostras nas duas condições de processamento é constituída pela matriz de Al-α e pelas fases secundárias de silício eutético, θ- Al2Cu e intermetálicos ricos em ferro. É possível observar que a amostra conformada por spray apresenta fases secundárias homogeneamente distribuídas nos contornos de grão. O silício se apresenta com morfologia de placas com tamanho médio de aproximadamente 30 µm (Fig. 1(a)), em contraste com o tamanho médio de cerca de 50 µm encontrada para as placas de silício na amostra fundida (Fig. 1(b)). Em relação a presença dos intermetálicos ricos em ferro, a amostra conformada por spray apresenta ambas morfologias: α-al(fe,mn)si e β-alfesi. O processo de spray forming gera uma redução na formação da fase β-alfesi (14), dessa forma, foi encontrado apenas uma pequena quantidade da mesma nas amostras A1 e A2. Por outro lado, na amostra fundida convencionalmente foi difícil encontrar agulhas da fase β-alfesi; no entanto, há uma grande quantidade de placas da fase α-al(fe,mn)si com morfologia de escrita Chinesa (morfologia da fase formada no final da solidificação (6) ), diferente da morfologia poligonal da fase α-al(fe,mn)si presente na liga conformada por spray (formada no início da solidificação (6) ). Os resultados de EDS presentes nas Tabelas 2 e 3 corroboram para a identificação dessas fases. 5424

5 a) Si β-alfesi θ Al2Cu α-al(fe,mn)si b) θ Al 2 Cu α-al(fe,mn)si Si Figura 1 Microsestrutura obtida por MEV da amostra a) conformada por spray (A2) e b) convencionalmente fundida. Tabela 2 Resultados de EDS das fases identificadas na amostra conformada por spray em %p (Fig. 1(a)). Fase Al Si Cu Fe Mn Silício 1,95 97,73 0, α-al(fe,mn)si 59,60 9,74 4,51 21,33 4,82 β-alfesi 58,70 16,67 0,26 23,74 0,62 θ-al2cu 57,39 1,09 41,33 0,

6 Tabela 3 Resultados de EDS das fases identificadas na amostra convencionalmente fundida em %p (Fig. 1(b)). Fase Al Si Cu Fe Mn Silício 6,00 93,77 0, α-al(fe,mn)si 41,00 6,96 4,50 41,71 5,56 θ-al2cu 56,53 8,90 32, Na Fig. 2 estão presentes os espectros de difração de raio-x das amostras conformadas por spray e da amostra fundida. Foi realizado uma análise apenas nos ângulos de de modo a permitir uma identificação detalhada dos picos referentes aos intermetálicos ricos em Fe. No espectro de DRX da amostra fundida convencionalmente é possível verificar os picos da fase α-al(fe,mn)si, porém, não foi possível determinar os picos da fase β-alfesi devido a pequena quantidade dessa fase presente no material. Nas amostras A1 e A2 estão identificados os picos referentes as fases α-al(fe,mn)si e β-alfesi, como era esperado pela análise microestrutural. Fig. 2 Difração de raio-x das amostras conformadas por spray e fundida convencionalmente. Na Fig. 3 estão presentes as micrografias das amostras conformadas por spray após o forjamento rotativo. O forjamento promoveu um refinamento adicional e homogeneização microestrutural, especialmente das partículas de 5426

7 silício. Pode-se observar que o tamanho médio do silício foi reduzido de 30 µm (presente na amostra conformada por spray) para aproximadamente 8 µm após o forjamento. Além disso, as partículas intermetálicas ricas em ferro apresentam um tamanho bastante reduzido e estão uniformemente distribuídas na matriz. a) b) θ-al 2 Cu α-al(fe,mn)si Si θ-al 2 Cu α-al(fe,mn)si Si Figura 3 Microestrutura obtida por MEV das amostras conformada por spray a) A1 e b) A2. Como anteriormente mencionado, o material conformado por spray apresenta um nível considerável de poros, o que leva à necessidade de um processo adicional de conformação mecânica de modo a reduzir o nível de porosidade (13-15). Dessa forma, o forjamento rotativo foi eficiente para promover a eliminação da porosidade dos depósitos, uma vez que o nível de porosidade das amostras conformadas por spray (3,2 ± 3,4 %vol) foi efetivamente reduzido para cerca de 0,20 ± 0,15 %vol. Além disso, a porosidade da liga comercial (FC) é de 2,0 ± 2,0, o que é esperado, uma vez que a porosidade é um defeito comum da fundição. Na Tabela 4 estão presentes os resultados referentes às propriedades mecânicas do material conformado por spray/forjado e da liga fundida convencionalmente. 5427

8 Tabela 4 Propriedades mecânicas da liga 319 conformada por spray/forjada e fundida convencionalmente. Amostra LRT (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento à fratura (%) A1 224 ± 1,3 185 ± 3,0 6,0 ± 1,1 A2 225 ± 2,4 182 ± 7,3 6,0 ± 0,7 FC 227 ± 12,0 - a 0,6 ± 0,1 a As amostras fundidas fraturaram antes do escoamento. O limite de resistência à tração das amostras conformadas por spray/forjadas e da amostra fundida é bastante similar. No entanto, a amostra FC fraturou sem sofrer qualquer deformação plástica, comportamento característico de material frágil. Isso pode ser demonstrado pelo baixo valor de alongamento à fratura (0,6%). Por outro lado, as amostras A1 e A2 apresentam um aumento significativo de alongamento em comparação com a amostra FC, apresentando 6,0% de alongamento. O comportamento frágil da amostra fundida é provocado pelos poros e pela presença de partículas grosseiras de silício e da fase α-al(fe,mn)si. Sendo assim, este resultado demonstra que a adição de manganês para estabilizar a fase α-al(fe,mn)si e suprimir a formação das agulhas da fase β- AlFeSi não é efetivo para promover um aumento da ductilidade da liga. É importante mencionar que a liga 319 fundida e contaminada com ferro, mesmo com os cuidados para prevenir o aparecimento de poros e com a adição de manganês e modificadores do eutético (Sr e Na), apresenta um alongamento à fratura que fica entre 0 a 2% à temperatura ambiente (11). Dessa forma, os resultados sugerem que as placas grosseiras de α-al(fe,mn)si com morfologia de escrita Chinesa na liga fundida possuem um efeito concentrador de tensão maior que as agulhas de β-alfesi de tamanho reduzido (~10 µm) presentes nas amostras A1 e A2. Considerando-se a alta concentração de ferro presente na liga (0,6 e 1,2%p), o aumento do alongamento à fratura da liga 319 conformada por spray e forjada foi bastante significativo. O ganho de ductilidade ocorreu pelo refinamento das partículas secundárias de Si e dos intermetálicos ricos em ferro, além da distribuição homogênea dessas fases na matriz de Al-α 5428

9 provocada pelo processo de spray forming e forjamento. O refinamento das fases secundárias promove um aumento da resistência da interface entre a matriz/fases secundárias, agindo como um obstáculo para a propagação das trincas (16). Por outro lado, as partículas grosseiras das fases secundárias na liga fundida (FC) servem como um concentrador de tensão e, consequentemente, iniciador de trincas. Em adição, é importante ressaltar que a amostra A2, com uma quantidade superior de ferro (1,2 %p), apresentou as mesmas propriedades mecânicas que a amostra A1 (0,6 %p de Fe). Este resultado sugere que a combinação dos processamentos de conformação por spray e forjamento rotativo é capaz de modificar a microestrutura da liga 319 de modo a assegurar um aumento do alongamento à fratura similar mesmo com diferentes teores de ferro, sendo muito importante uma vez que o ferro é uma impureza muito comum e indesejada nas ligas de Al-Si, responsável por reduzir drasticamente a ductilidade do material (4-7). CONCLUSÕES O refinamento microestrutural promovido pela conformação por spray aumentou a formabilidade da liga 319 e permitiu a sua conformação termomecânica. Além disso, o processamento por spray forming reduziu a formação da fase β-alfesi mesmo sem adição significativa de manganês e promoveu a formação da fase α-al(fe,mn)si com morfologia poligonal ao invés das placas grosseiras típicas da morfologia de escrita Chinesa, como ocorre na fundição convencional. A combinação de spray forming e forjamento rotativo permitiu um aumento significativo do alongamento à fratura em comparação com a respectiva liga fundida convencionalmente. Ademais, apesar dos diferentes teores de ferro, obteve-se a mesma ductilidade para a liga conformada por spray e forjamento. Isso demonstra que essa rota de processamento é capaz de permitir o emprego de ligas de Al-Si contaminadas com ferro em aplicações com maior valor agregado, ampliando o seu uso para além do campo restrito da fundição. 5429

10 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem pelo suporte financeiro da CAPES (código de finança 001), FAPESP e CNPq e ao Laboratório de Caracterização Microestrutural (LCE/DEMa/UFSCar) pelas facilidades em geral. REFERÊNCIAS (1) ASM International. Alloying: Understanding the Basics. Chapter: Light metals and alloys. p , (2) ASM International. Aluminum Alloy Castings: Proprieties, process and applications. p. 5-16, (3) Gaustad, G.; Olivetti, E.; Kirchain, R. Improving aluminum recycling: A survey of sorting and impurity removal technologies. Resources, Conservation and Recycling, v. 58, p , (4) YI, Z., et al. Effect of Fe-content on fatigue crack initiation and propagation in a cast aluminum silicon alloy (A356 T6). Materials Science and Engineering, n. 386, p , (5) MA, Z. et al. A study of tensile properties in Al Si Cu and Al Si Mg alloys: Effect of -iron intermetallics and porosity. Materials Science and Engineering, n. 409, p , (6) PUNCREOBUTR, C. et al. Influence of Fe-rich intermetallics on solidification defects in Al Si Cu alloys. Acta Materialia, n. 68, p , (7) PHILLIPS, H. W. L. Annotated equilibrium diagrams of some aluminium alloy systems. London, Institute of Metals, (8) TAYLOR, J. Iron-containing intermetallic phases in Al-Si based casting alloys. Procedia Materials Science. 11th International Congress on Metallurgy & Materials SAM/CONAMET, p.19-33, Rosário, Argentina, (9) GARCIA, A. Solidificação: fundamentos e aplicações. Campinas, SP: UNICAMP, p. 399, (10) DAHLE A.K., et al. Eutectic Nucleation and Growth in Hypoeutectic Al-Si Alloys at Different Strontium Levels. Metallurgical and Materials Transactions A, v. 32A, p ,

11 (11) E. Rincón, H. F. López, M. M. Cisneros, H. Mancha, and M. A. Cisneros. Effect of temperature on the tensile properties of an as-cast aluminum alloy A319. Mater. Sci. Eng. A, vol , p , (12) GUPTA, M.; LING, S. Microstructure and mechanical properties of hypo/ hyper-eutectic Al Si alloys synthesized using a near-net shape forming technique. Journal of Alloys and Compounds, v. 287, p , (13) H. A. Godinho, A. L. R. Beletati, E. J. Giordano, and C. Bolfarini. Microstructure and mechanical properties of a spray formed and extruded AA7050 recycled alloy. J. Alloys Compd., vol. 586, p , (14) L.A. Bereta, C.F. Ferrarini, W.J. Botta F, C.S. Kiminami, and C. Bolfarini. Microstructure and mechanical properties of spray co-deposited Al 8.9 wt.% Si 3.2 wt.% Cu 0.9 wt.% Fe + (Al 3 wt.% Mn 4 wt.% Si)p composite. J. Alloys Compd., vol , p , (15) C. F. Ferrarini, C. Bolfarini, C. S. Kiminami, and W. J. Botta F. Microstructure and mechanical properties of spray deposited hypoeutectic Al Si alloy. Mater. Sci. Eng. A, vol , p , (16) V. C. Srivastava, R. K. Mandal, S. N. Ojha, K. Venkateswarlu. Microstructural modifications induced during spray deposition of Al Si Fe alloys and their mechanical properties. Materials Science and Engineering A, v. 471, p , MICROSTRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SPRAY- FORMED/ROTARY SWAGED 319 ALUMINUM ALLOY ABSTRACT The aim of this paper is to analyze the iron effect on the microstructure and mechanical properties of the spray-formed/forged 319 alloy. The microstructure was investigated via SEM/EDX and XRD. Room temperature tensile tests showed that the highly iron-containing spray-formed/forged samples exhibited a substantial increase of elongation compared to the as-cast alloy. Therefore, it is suggest that this processing route enables the recycling of iron-contaminated Al-Si alloys, for more noble applications than the casting sector. Keywords: 319, spray forming, rotary forging, ductility, Fe-rich intermetallics. 5431