OBTENÇÃO DE LIGA Al-Zn ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ POR MOAGEM DE ALTA ENERGIA

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1 OBTENÇÃO DE LIGA Al-Zn ATRAVÉS DA METALURGIA DO PÓ POR MOAGEM DE ALTA ENERGIA Cesar Edil da Costa, 1 Matheus Zapeline Marcon, 1 Flávia Costa da Silva, 1 Julio Cesar Giubilei Milan, 1 Éverton Rafael Breitenbach, 1 1 Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC, Centro de Ciências Tecnológicas - CCT / Rua Paulo Malschitzki, Campus Universitário - Bairro Zona Industrial Norte - CEP: Joinville - SC, Resumo: Nas duas últimas décadas diversos estudos têm sido desenvolvidos visando obter ligas de zinco por metalurgia do pó. A metalurgia do pó permite através das suas técnicas a obtenção de um produto com distribuição homogênea das fases, com grãos refinados que por sua vez facilitam processos de conformação. Com a metalurgia do pó é possível produzir materiais nas dimensões finais eliminando processos posteriores de acabamento, reduzindo custos e perdas de material. As pesquisas desenvolvidas nesta área partem de pós pré-ligados, fabricados por métodos como atomização, moagem de alta energia a temperaturas criogênicas e até pela transformação de lingotes das ligas em pó. Porém estes métodos demandam alto custo e energia. O objetivo deste desenvolvimento é a obtenção da liga em estado sólido via metalurgia do pó, sendo a liga é obtida por moagem de alta energia em atritor a partir de pós elementares, com uma relação bolas/pó de 15:1. Sendo variado o tempo de moagem e analisando os resultados da moagem em intervalos de 2 horas até o total de 10 horas, limite determinado pela morfologia e formação da liga. Com o tempo de 10 horas de moagem obteve-se um produto coeso e dispersão homogênea das fases. O produto final é avaliado do ponto de vista microestrutural por microscopia óptica e eletrônica e por difração por raios-x para a determinação das fases presentes. As partículas finais correspondem à liga Zamac 2 e uma morfologia adequada para a obtenção de produtos por metalurgia do pó. Palavras-chave: metalurgia do pó, zamac, moagem de alta energia, Zn-Al 1. INTRODUÇÃO Nas últimas duas décadas diversos estudos têm sido realizados para obter ligas de zinco por metalurgia do pó. Um dos propósitos é tornar esta técnica uma aliada da fundição para melhor entender os fenômenos que ocorrem quando se trabalha com fundição sob pressão e peças de paredes finas, onde os materiais apresentam grãos refinados. Outros, no entanto, visam substituir o processo de fundição pela utilização de pós, na fabricação de materiais de grãos refinados e de fácil conformação. No entanto, estas pesquisas partem, na sua grande maioria, de partículas de pós préligados, transformando lingotes em limalhas, que moídas viram pó, ou por atomização. (ASM, 2001; Vol. 15, ASM, 2001; Vol. 7, NOVÁ, I et all, 2010) A Zamac 2 é dentre todas as ligas hipoeutéticas a de mais alta resistência a tração, resistência a fluência e dureza, devido a adição de 3% de cobre. No entanto, adições acima de 1,25% de cobre causam instabilidades dimensionais, o que faz com que esta liga seja muito empregada em peças para desgaste, pois suas características de resistência mecânica, fluência e dureza não são afetadas (ASM, 1992; Vol. 2, BARBOSA, C, 2014). As pesquisas desenvolvidas nesta área partem de pós pré-ligados, fabricados por métodos como atomização, moagem de alta energia a temperaturas criogênicas e até pela transformação de lingotes das ligas em pó. Porém estes métodos demandam alto custo e energia (JAREÑO, E. D, ET all, 2010, LEE, K et all, 2012). Este trabalho tem como objetivo obter uma liga zamac 2 através da metalurgia do pó, por moagem de alta energia e, determinar o tempo ótimo de moagem e analisar a morfologia do pó nos principais estágios da moagem e verificar a microestrutura. O objetivo do ponto de vista tecnológico é através da metalurgia do pó desenvolver aplicações para peças ou componentes. MOAGEM DE ALTA ENERGIA Na moagem de materiais dúcteis as partículas de pó tendem a soldar a frio, provendo uma baixa eficiência no processo. Neste caso, ao invés de usar um moinho convencional são escolhidas diferentes configurações, sendo o moinho atritor e o moinho planetário as mais utilizadas (ASM, 2001; Vol. 7, SURYANARAYANA, C, 2001). O objetivo da moagem de alta energia é de produzir pós metálicos, compostos e cerâmicos com microestruturas finas e controladas. Alguns tipos de ligas como as de alumínio produzidas através de moagem de alta energia tem propriedades melhores, especialmente em altas temperaturas, do que ligas obtidas por atomização ou meios convencionais. As razões

2 para isso são a redução do tamanho do grão, o alto nível de encruamento e a fina dispersão de precipitantes (óxidos principalmente) na microestrutura (BREITENBACH, E. R, 2011) Nos últimos anos, a mistura mecânica e a moagem de alta energia têm sido utilizadas para preparar materiais compósitos, a fim de obter microestruturas homogêneas. As propriedades elétricas dos materiais de contato, como alta condutividade térmica para dissipar o calor gerado pelo arco e pela passagem de corrente elétrica, estabilidade química para evitar a formação de camadas isolantes de óxidos, sulfetos e outros, e alta resistência ao arco voltaico, são fortemente influenciadas pela microestrutura do material. O refinamento da microestrutura é importante para melhorar o desempenho de materiais de contato, incluindo a resistência mecânica e condutividade elétrica (CHEN et al., 2005). Com o interesse nos últimos 15 anos para usar ligas obtidas por moagem de alta energia para produção de materiais metaestáveis, tanto como ligas amorfas, soluções sólidas estendidas, materiais semi-cristalinos, fases cristalinas metaestáveis, e materiais nanoestruturados, muitos moinhos em escalada de laboratório vêm sido usados para pesquisas. Estes típicos moinhos usam pequenas quantidades de pó, e em alguns casos eles são mais energéticos do que os grandes moinhos industriais. Esses moinhos de alta energia agitam as cargas do pó e das bolas em três determinadas direções perpendiculares a aproximadamente 1200 rpm. A velocidade das bolas no misturador é alta, 5m/s. Uma dada reação, como a amorfização, pode tipicamente ter uma ordem de magnitude mais rápida no moinho Spex que nos usais moinhos vibratórios ou atritores. O moinho Planetário também vem sendo usado frequentemente em pesquisas, particularmente por pesquisadores europeus. (ASM, vol ) O moinho atritor consiste de uma cuba (cilindro vertical) com um impulsor inserido na cuba, conforme apresentado na Figura (1). Este impulsor é formado por pás distanciadas progressivamente na altura e formam um ângulo reto entre elas. As pás estão ligadas ao eixo e este está conectado diretamente no motor que gera a rotação. A ação do impulsor sobre as esferas é a fonte de interação das esferas com o pó, com aplicação de grande energia. Para evitar o aquecimento do pó, a cuba normalmente é refrigerada com água. Também é possível o controle da atmosfera, pela substituição da atmosfera normal por injeção de gás inerte (SURYANARAYANA, 2001). Selo de vedação Saída do fluxo de água Esferas em atrito Entrada do fluxo de água Figura 1 - Moinho Atritor Propulsor 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 OBTENÇÃO DA LIGA ZAMAC 2 Inicialmente, para a obtenção da liga Zn4Al3Cu ou Zamac 2 (tabela (1)) como é conhecida comercialmente, através da metalurgia do pó, foram utilizadas as seguintes proporções dos determinados elementos sendo adicionada mais 1,5% em peso de PCA (micro cera tipo C) para evitar a aglomeração e adesão da liga nas paredes do recipiente. A balança utilizada para a determinação da massa é com carga máxima 310g e resolução de 0,001g Tabela 1 Composição da liga zamac 2 Elemento Químico % massa Granulometria(µm) Fabricante Zn 93 - Synth Al 4 < 44 Alcoa Cu 3 < 53 Metalpó A composição da mistura dos pós elementares foi feita através da pesagem, totalizando 100 gramas. Após a produção do pó da liga, foi realizada uma homogeneização manual de 20 minutos, seguida de uma moagem de alta

3 energia por atritor HD01 (figura 2), fabricante Union Press, por um tempo de 10 horas a 460 rpm, com a razão de bolas/carga de 15:1. Para evitar o aquecimento no interior da cuba foi empregada uma refrigeração por um fluxo continuo de água e atmosfera de argônio com pressão de 3 bar para proteger a mistura da oxidação. Sendo retirada uma amostra de pó a cada 2 horas de moagem. Para posterior análise por difratometria por raios x em um difratometro Shimadzu 6000, e de microscopia eletrônica em um MEV/FEG-JEOL para a comparação do pó em cada estágio da moagem. Figura 2 Moinho Atritor 3 RESULDADOS E DISCUSSÕES 3.1 Morfologia dos Pós Na observação da microscopia eletrônica das amostras de pó foi observado que as misturas com menos horas de moagem apresentam partículas deformadas devido a mistura mecânica. Esta etapa respresenta estágios intermediários de moagem em que o processo de formação da liga necessitando ainda mias tempo de moagem para chegar o estágio de equilíbrio entre as fases. Com maiores tempos de moagem é visto que a geometria das partículas tende a uma forma equiaxial e consequentemente uma maior homogeneidade estrutural. Como observado na figura (3). Figura 3 Amostras de partículas de pós isoladas, com 2, 4, 6, 8 e 10 horas de moagem.

4 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação Nas partículas de pó quando observadas em forma de aglomerados, além da característica citada anteriormente, é possível observar uma diminuição significativa de tamanho quando observadas em forma mais ampla (figura (4)) Figura 4 - Amostras de pó embutido em forma de aglomerados, com 2, 4, 6, 8 e 10 horas de moagem. 3.2 Secção transversal das partículas Através microscopia eletrônica das partículas embutidas, observa-se a presença de lamelas nas misturas com menos tempos de moagem, as quais são características de estágios iniciais da moagem. Com o aumento do temo de moagem estas estruturas lamelares vão desaparecendo e a coesão das partículas aumentando o que demonstra a homogenização das partículas, e o sucesso da moagem (figura (5)). Figura 5 Amostras de pó embutido isoladas, com 2, 4, 6, 8 e 10 horas de moagem respectivamente.

5 Observando as partículas embutidas em forma de aglomerados com um menor aumento, também observa-se uma melhor diminuição nas partículas em forma geral, e uma homogenização da forma destas pois tendem a ficar de formas e tamanhos similares com o passar das horas de moagem (figura (6)). Figura 6 Amostras de pó embutido em grupo, com 2, 4, 6, 8 e 10 horas de moagem respectivamente. 3.3 Difratomentria por Difração de raios-x A difração por raios x, mostra as fases apresentadas no material analisado. Foram feitas, análises de difratometria por raios x, nas amostras, com 2, 4, 6, 8 e 10 horas de moagem de alto energia. Com a análise de difratometria por raio x, foi possível obter uma série de fases presentes no pó produzido. A figura (7) mostra os picos, na amostra analisada com 10 horas de moagem. Conforme a legenda os picos apresentados são Zn, Al, Cu, ZnO, Em todos os difratogramas os picos que não identificados correspondem a fases em pequenas proporções, sem prejuízo á identificação das fases principais na formação das ligas Zn-Al. Figura 7 - Difratograma amostra com 10 horas de moagem

6 Figura 8 - Difratograma de todos os picos juntos Com o aumento do tempo de moagem é percebido o desaparecimento dos picos de alumínio. Na Figura (8) com todos os picos juntos, é possível observar que na amostra de 10 horas aparece um pico ao lado do pico de Zn o qual aparece devido a formação de CuZn5. Indicado na figura (9). Figura 9 - Difratograma, amostra com 10 horas de moagem Nas figuras (10) e (11) com os picos ampliados é possível perceber que com o aumento do tempo de moagem, os picos vão diminuindo de intensidade e aumentando de largura, o que significa a formação de uma solução sólida, e amorfização de estrutura.

7 Figura 10 - Todos os picos juntos de 30 a 40 graus Figura 11 - Todos os picos juntos de 42 a 45 graus 4. CONCLUSÕES As microscopias eletrônicas, e as análises de difração por raios x, revelaram grandes mudanças, tanto na morfologia do pó quando na fase do material, durante a moagem, com o passar das horas foi observado a formação de uma liga sólida de geometria equiaxial, o qual era o objetivo da moagem. - tempos curtos de moagem em estágios intermediários da formação da liga ainda são possíveis identificar os elementos de partida da liga - para o tempo de 10 horas as partículas estão coesas e não apresenta fases individuais, sendo comprovado pelos difratogramas na formação do composto. - As técnicas MEV e DR-X permitem avaliar a formação de ligas por moagem de alta energia, e determinar o tempo ótimo de moagem. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Estado de Santa Catarina- FAPESC pelo apoio através do projeto PAP - Edital Nº 06/2013

8 6. REFERÊNCIAS ASM International. Fundição. Vol ASM International. Metalurgia do Pó. Vol ASM International. Propriedades e seleção: ligas não ferrosas e materiais para fins especiais. Vol BARBOSA, Cassio, Metais não ferrosos e suas ligas: microestrutura, propriedades e aplicações, 1. ed - Rio de Janeiro: E-papers, BREITENBACH, É. R. Obtenção de Compósito de matriz AA2024 com dispersão de Al4C3 por moagem de alta energia Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville, 2011 CHEN, W.; KAN, Z.; DING, Preparation and Arc Breakdown Behavior of Nanocrystalline W-Cu, B JAREÑO, E. D., CASTRO, M. J., MALDONADO, S. I., e ALVARADO HERNÁNDEZ, F.. The effects of Cu and cooling rate on the fraction and distribution of epsilon phase in Zn 4Al (3 5.6)Cu alloys. Journal of Alloys and Compounds, vol 490, p , LEE, K., LEE, J., PARK, J., KIM, B. Fabrication of miniature helical gears by powder extrusion using gas atomized Zn-22%Al powder, ScienceDirect, SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling. Progress in Materials Science, DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. Os trabalhos escritos em português ou espanhol devem incluir (após direitos autorais) título, os nomes dos autores e afiliações, o resumo e as palavras chave, traduzidos para o inglês e a declaração a seguir, devidamente adaptada para o número de autores. OBTAINING AN ALLOY ZAMAC THROUGH THE POWDER METALLURGY BY MECHANICAL ALLOYING. In the last two decades, several studies have been developed to obtain zinc alloys by powder metallurgy. Powder metallurgy permits obtaining a product with a homogenous distribution of phase with refined grains which in turn facilitates forming processes. With powder metallurgy is possible to produce materials in the final dimensions eliminating subsequent finishing processes, reducing costs and material losses. The research conducted in this area start from pre-alloyed powders, manufactured by methods such as spraying, high-energy milling at cryogenic temperatures and to the transformation of ingots of alloy powders. But these methods require expensive energy. In this work the alloy is produced by high energy ball milling attritor from elemental powders, and miscellaneous grinding time. The aim of this development is to obtain the alloy through solid state powder metallurgy, and the alloy is produced by high energy ball milling attritor from elemental powders with a ratio balls / powder 15: 1. As the milling time varied and analyzing the results of grinding at 2 hour intervals up to a total of 10 hours, the predetermined threshold morphology and alloying. Over time 10 hours Grinding was obtained a cohesive and homogeneous dispersion of the product phases. The final product is evaluated the microstructural point of view by optical and electron microscopy and x-ray diffraction to determine the phases present. The final particles correspond to Zamac alloy 2 with morphology suitable for obtaining products by powder metallurgy. Key-words: Powder Metallurgy, Zamac, Mechanical alloying, Zn-Al