8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 AVALIAÇÃO DO DESGASTE POR DESLIZAMENTO DE ALUMÍNIO E LIGAS EXTRUDADAS OBTIDAS POR METALURGIA DO PÓ SOB INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO RESUMO Zanatta, A. M.*; Da Costa, C. E. 1 ; Milan, J. C. G. 2 ; Da Silva, R. F. 3 Universidade do Estado de Santa Catarina Udesc - CCT - Joinville-SC - Brasil andrezanatta@yahoo.com.br *, edil@joinville.udesc.br 1, milan@joinville.udesc.br 2 rodriengmec@yahoo.com.br 3 Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito de diferentes tipos de tratamentos térmicos em Compósitos de Matriz Metálica (CMMs) por meio de ensaios de desgaste e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os corpos de prova utilizados foram de liga de alumínio AA2124 como matriz base, obtida por Ligação Mecânica, e compósitos reforçados com partículas de Si 3 N 4, TiAl e TiN. Eles foram confeccionados via metalurgia do pó e em seguida extrudados a quente. Foram avaliadas as propriedades tribológicas sob dois tratamentos térmicos, T1 (confecção a alta temperatura e precipitação natural) e T6 (solubilização e posterior precipitação artificial), conforme norma ASTM B 597. Os materiais foram submetidos a ensaios de desgaste do tipo pino contra disco, conforme norma ASTM G99. Os resultados mostraram mudanças significativas no coeficiente de atrito com o tratamento térmico T6 na liga base, já nos compósitos não houve mudanças em relação aos diferentes tratamentos. O coeficiente de atrito nos compósitos tratados termicamente com T6 apresentou um leve aumento em relação à liga base. Os tratamentos térmicos e a adição de reforços se mostraram eficientes na resistência ao desgaste. PALAVRAS CHAVE: Compósito Matriz Metálica, Alumínio, Tratamento Térmico, Pino contra disco. 853

2 INTRODUÇÃO Compósito de matriz metálica com matriz de alumínio e reforçados com partículas tem recebido atenção em função da melhora na resistência, aumento do módulo elástico e aumento na resistência ao desgaste sobre as ligas convencionais. Eles têm encontrado ampla aplicação comercial em vários setores tais como aeroespacial, automotivo e aplicações estruturais [1][2][3]. Entretanto, a resistência específica dos CMMs com reforço descontínuo não é tão alta quanto a dos compósitos com reforço contínuo, as propriedades isotrópicas e o razoável custo faz dos CMMs com reforço descontínuo materiais com grande potencial para aplicações que necessitem de resistência ao desgaste. Nos últimos anos muito se tem pesquisado sobre o atrito e as propriedades de desgaste desses materiais. Entretanto, relatos na literatura divergem quanto ao papel das partículas de carbetos e óxidos na melhora do comportamento dos compósitos em relação ao desgaste. Isso se deve ao fato de que a velocidade de deslizamento, a carga, tamanho das partículas, o contra corpo, geometria do teste, além dos fatores ambientais, tais como: umidade e temperatura proporcionam uma complexa condição que afeta o comportamento do desgaste [4][5][6]. Esse trabalho tem por objetivo investigar as propriedades tribológicas de compósitos com matriz de alumínio reforçados com partículas de cerâmica e intermetálicos, obtidos via metalurgia do pó, sob a influência de dois tratamentos térmicos diferentes, T1 e T6 [7]. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A liga AA2124 produzida via Ligação Mecânica (10 h de moagem / 700 rpm) foi utilizada como liga base e como reforço utilizou-se três diferentes materiais: Si 3 N 4 (partículas menores que 10 (µm), TiAl atomizado (partículas menores que 25 (µm) ou TiN (partículas menores que 20 (µm). Misturou-se o pó da liga de alumínio base ao reforço por meio de agitação manual com auxílio de bolas de alumina misturadas ao pó, por um tempo de vinte minutos. As seguintes misturas foram obtidas 5% Si 3 N 4 ; (5, 10)% TiAl, 10% TiN em peso. Os compósitos foram compactados a frio (300 MPa), obtendo-se tarugos de 25 mm de diâmetro por 30 mm de altura aproximadamente. Os tarugos foram lubrificados com grafite em barra e extrudados a quente, a 490 o C. A taxa de extrusão utilizada foi de 25:1, os corpos de prova de desgaste foram confeccionados a partir da cabeça de extrusão. O material foi submetido a dois tipos de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento de acordo com a norma ASTM B [7]. Devido à alta temperatura a qual foi realizada a extrusão, o compósito precipitou naturalmente, de acordo com a norma esse tratamento térmico é chamado de T1. Por outro lado, o compósito foi submetido à solubilização e envelhecimento artificial, chamado de T6. Nesse tratamento a temperatura de solubilização foi de 493 ± 5 o C ( banho de sais ), o tempo de envelhecimento foi de 12 horas a 190 ± 5 o C. Os ensaios de desgaste foram realizados em equipamento pino sobre disco desenvolvido pelo próprio laboratório. Os corpos de prova foram polidos, alcançando uma rugosidade superficial, Ra de 1 µm, as condições do ensaio de desgaste foram segundo a norma ASTM G99-95 [8], velocidade 0,1 m/s, distância percorrida de 1000 m, umidade relativa menor que 30%. O diâmetro da esfera de alumina utilizada como contra corpo foi de 6 mm. A carga utilizada foi de 10 N. Foram executados três ensaios para cada material. O coeficiente de atrito foi determinado através de medidas instantâneas da força de atrito durante o ensaio. E o desgaste determinado através do coeficiente k, onde k (mm 3 /m -1.N -1 ) é o volume perdido de material (mm 3 ) / distância percorrida (m) x carga aplicada (N). O volume perdido de material foi calculado através da área transversal média da pista desgastada obtida em um perfilômetro CV-2000 Contrace Mitutoyo. Foram realizados medidas de micro dureza Vickers HV 0,5. Avaliaram-se as pistas de desgaste dos compósitos através de microscópio eletrônico de varredura (MEV). DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A Figura 1 ilustra o coeficiente de atrito médio de cada ensaio em função do tratamento térmico aplicado e do tipo de reforço adicionado. Os resultados obtidos para o coeficiente de atrito corroboram com a literatura, em torno de 0,4 [9]. Observa-se que somente a liga base sofreu influência do tratamento térmico T6, sendo que o coeficiente de atrito reduziu. Estatisticamente o tratamento térmico T6 não alterou o comportamento do atrito nos compósitos.

3 Nas amostras com tratamento térmico T1, somente houve queda no coeficiente de atrito na amostra reforçada com 10% TiAl em relação a liga base, enquanto os resultados nos outros compósitos foram estatisticamente iguais. Nas amostras tratadas termicamente com T6, ocorreu um aumento no coeficiente de atrito, com exceção do compósito reforçado com 10% TiAl que apresentou valor semelhante ao da liga base. Na Figura 2 observa-se a micro dureza Vickers e o coeficiente de desgaste dos materiais avaliados. Observa-se que o tratamento térmico T6 aumentou a dureza dos materiais, com exceção dos compósitos reforçados com TiAl. O tratamento térmico T6 diminuiu o coeficiente de desgaste em relação ao T1 em todos os materiais analisados, principalmente na liga base. A adição das partículas de reforço diminuiu, no mínimo, pela metade o coeficiente de desgaste nos materiais tratados com T1 em relação à liga base. Nos materiais tratados termicamente com T6 observa-se também redução do coeficiente de desgaste em relação à liga base. O compósito reforçado com 10% de TiAl apresenta o menor coeficiente de desgaste nas duas condições de tratamento térmico. A melhora nas propriedades tribológicas dos materiais tratados termicamente com T6, deve-se provavelmente pela formação de precipitados do tipo Al 2 Cu [10]. Coeficiente de atrito médio 0,44 0,42 0,40 0,38 0,36 0,34 0,32 0,30 AA2124 5% Si3N4 5% TiAl Trat. Térmico T1 Trat. Térmico T6 10% TiAl AA % TiN Figura 1 - Coeficiente de atrito médio da liga base e dos compósitos. 0,0006 Coeficiente de Desgaste (mm 3.N -1.m -1 ) 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 Coef. desgaste T1 Coef. desgaste T6 Dureza Vickers T1 Dureza Vickers T6 Micro-dureza (HV 0,5) 0,0000 AA2124 5% Si3N4 5% TiAl 10% TiAl AA % TiN Figura 2 - Coeficiente de desgaste e micro dureza Vickers da liga base e dos compósitos. Observa-se na Figura 3(a, b) a pista completa, no compósito a presença de sulcos é mais evidente do que na liga base, provavelmente devido às partículas duras de reforço que podem ser removidas da matriz e atuar como abrasivos. A Figura 3(c, g) evidencia a distribuição do reforço dentro e fora da pista, na pista desgastada as partículas de reforço estão deformadas, provavelmente devido à deformação sofrida durante o teste. A Figura 3(d, e) mostra uma combinação entre desgaste por deslizamento e desgaste abrasivo. Durante o ensaio parte das partículas de óxido de alumínio removidas permanecem na pista, são deformadas novamente pelo pino, formando uma camada de óxidos incrustados não uniforme, Figura 3(f, h). Desse modo, acredita-se que ambos a tribo-oxidação e mistura matriz-reforço se fazem presentes na interface entre o material e o contra corpo durante o ensaio de desgaste [3][6]. O contato adesivo evidencia-se na Figura 3(i) com o material aderido na esfera após o ensaio [11].

4 Figura 3 - Pistas de desgaste: (a) Liga base AA2124 T1 20x; (b) 5% Si3N4 T1 20x; (c) AA % TiAl T1 50x BSE; (d) 5% TiAl T1 100x; (e) 10% TiAl T6 200x BSE; (f) 10% TiAl T1 1000x; (g) 10% TiN T1 50x BSE; (h) 10% TiN T1 1000x; (i) Esfera Al2O3 (contra corpo) após ensaio. Figura 4 - Pistas de desgaste: (a) Liga base AA2124 T6 200x BSE; (b) 10% TiAl T1 200x BSE. Composição semi-quantitativa dos pontos 1 e 2 na Tabela 1.

5 Na Figura 4(a, b) observa-se as regiões centrais das pistas desgastadas, as tonalidades são devido a diferentes composições formadas pela mistura de óxidos e partículas da matriz que recobrem a pista. A Tabela 1 apresenta os resultados da análise química semi-quantitativa, utilizando EDX, realizada na superfície da pista desgastada, comprovando a formação de uma camada de compostos, contendo elementos da matriz e do reforço, além de óxidos. Tabela 1- Análise semi-quantitativa dos pontos 1 e 2 da Figura 4(a, b). Liga base AA 2124 Compósito reforçado com 10% TiAL Elemento Ponto 1 Ponto 2 Elemento Ponto 1 Ponto 2 O 6.0 % 40.3 % O 33.2 % 33.4 % Al 89.0 % 56.0 % Al 57.9 % 57.3 % Cu 3.3 % 2.8 % Cu 3.2 % 2.9 % Mg 1.6 % 0.9 % Ti 5.7 % 6.4 % CONCLUSÕES O tratamento térmico T6 melhora as propriedades tribológicas da liga base, diminuindo o coeficiente de atrito e o de desgaste e também aumentando a dureza. Os compósitos tratados com T6 não apresentaram mudanças significativas quanto ao coeficiente de atrito, entretanto observou-se uma pequena diminuição no coeficiente de desgaste em relação aos compósitos tratados com T1. A adição de reforços contribuiu para a redução do coeficiente de desgaste, em torno de 50% para os compósitos tratados com T1 e um suave declínio nos compósitos tratados com T6 em relação à liga base. Os melhores resultados foram obtidos com o reforço de 10% de TiAl. Observaram-se diferentes mecanismos de desgaste por deslizamento e abrasivo nas pistas desgastadas, sendo que a interface pino disco é formada por uma mistura de óxidos e fragmentos do material em estudo. REFERÊNCIAS [1] Tang, F.; Wu, X.; Ge, S.; Ye, J.; Zhu, H.; Hagiwara, M.; Schoenung, J.M., Dry sliding friction and wear properties of B4C particulate-reinforced Al-5083 matrix composites, Wear, In Press, Corrected Proof, Available online 11 May [2] RAMESH, C.S.; SAFIULLA M., Wear behavior of hot extruded Al6061 based composites Wear, In Press, Corrected Proof, Available online 28 March [3] SALLIT, I..; RICHARD; R., ADAM; ROBBE-VALLOIRE, F., Characterization Methodology of a Tribological Couple: Metal Matrix Composite/Brake Pads, Materials Characterization, Volume 40, Number 3, Pages (20), March [4] MURATOĞLU, M.; AKSOY, M., Abrasive wear of 2124Al SiC composites in the temperature range C, Journal of Materials Processing Technology, Volume 174, Issues 1-3, 25, Pages May [5] AL-QUTUB, A.M.; ALLAM, I.M.; QURESHI, T.W., Effect of sub-micron Al 2 O 3 concentration on dry wear properties of 6061 aluminum based composite, Journal of Materials Processing Technology, Volume 172, Issue 3, 10 March 2006, Pages [6] UYYURU, R.K.; SURAPPA, M.K.; BRUSETHAUG, S., Effect of reinforcement volume fraction and size distribution on the tribological behavior of Al-composite/brake pad tribo-couple, Wear, Volume 260, Issues 11-12, 30, Pages June [7] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS - ASTM, Standart practice for heat treatment of aluminum alloys, [8] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM, Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, G Philadelphia, [9] DA COSTA, C.E.; ESPINOZA, J.S.Q.; WEIHERMANN, F.; ZAPATA, W.C., Comportamento quanto a resistência a tração e ao desgaste de compósitos AA6061 reforçados com Ni3Al, Jornadas SAM CONAMET AAS 2001, Pages , Septiembre de [10] POLMEAR, I.J., Light Alloys, Metallurgy of the Light Alloys, London, 3. ed, [11] CAMBRONERO, L.E.G; SÁNCHEZ, E.; RUIZ-ROMAN, J.M.; RUIZ-PRIETO, J. M., Mechanical characterisation of AA7015 aluminium alloy reinforced with ceramics, Journal of Materials Processing Technology, Volumes , Pages , 20 December 2003.