ANÁLISE DE SOLUÇÕES ÁCIDAS PARA A CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DE MICRO E MACROGRAFIA NA LIGA DE Al-0,6%Mg- 0,5%Si (6101)

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1 ANÁLISE DE SOLUÇÕES ÁCIDAS PARA A CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DE MICRO E MACROGRAFIA NA LIGA DE Al-0,6%Mg- 0,5%Si (6101) Hélido Cleidson de Oliveira Sena "Bolsista PIBIC/CNPq helido@ufpa.br " e José Maria do Vale Quaresma Orientador jmdovale@ufpa.br. Departamento de Engenharia Mecânica, CT, UFPA. CEP: , Belém/Pa. Fone: (091) RESUMO A utilização de materiais na área comercial hoje é muito grande, inclusive na área de fabricação de peças e acessórios de metais. Sua abrangência percorre desde a aplicação de materiais puros ou ligas decorrentes dos processos de aplicabilidade na indústria e no comércio. Deste ponto de vista, a liga 6101 (Al-0,6%Mg-0,5%Si) utilizada para construção de fios condutores e siderúrgicos em uma empresa desta região (ALUBAR METAIS/BARCARENA/PA), surgiu-se o interesse de estudar a mesma quanto a aplicação de soluções ácidas (os reagentes) em suas amostras retiradas de vergalhões de 300 mm de comprimento por 10 mm de diâmetro. As amostras como produzidas foram solubilizadas a 540ºC em tempos de 2,4 e 6h; e tratadas termicamente até a temperatura ambiente, e em seguida arrefecidas em água. Desta forma, esta proposta analisa a eficiência dos seguintes reagentes químicos utilizadas para a caracterização metalográfica deste não-ferroso: 1 (um) reagente para a avaliação micrográfica; solução de HF (1ml de HF para 200ml de H 2 O) e de 2 (dois) reagentes para a avaliação macrográfica, que são; primeiro, o reagente cáustico (10g de NaOH + 90 ml de H 2 O), e o segundo, o reagente Tucker (45ml HCl, 15 ml HNO 3, 15 ml HF e 25 ml de H 2 O). ABSTRACT The use of materials in the commercial area today is very large, besides in the area of production of pieces and metals accessories. It include since the application of pure materials until the current applicability of processes in the industry and in the trade. Therefore, Al- 0,6%Mg-0,5%Si (6101) alloy is used for construction of conductive and metallurgical cables in a company of this area (ALUBAR METAIS/BARCARENA/PA), it appeared the interest of studying in this alloy with the application of acid solutions (reagents) in your samples collected of cables of 300 mm of length for 10 mm in of diameter. The samples as produced were solubilizaded at 540ºC in times of 2,4 and 6 hours; and treated thermally at room temperature (cooled in water). Although, this proposal analyzes the efficiency of the following chemical reagents used for the characterization metalographc of this no-ferrous: 1 (one) reagent for the evaluation micrographic; HF solution (1ml of HF for 200ml of H 2 O) and 2 (two) reagents for the evaluation macrographic, first, the caustic reagent (10g of NaOH to each 90 ml of H 2 O), and the second, the Tucker s reagent (45ml HCl, 15 ml HNO 3, 15 ml HF and 25 ml of H 2 O). Revista Científica da UFPA Vol 3, março

2 INTRODUÇÃO Hoje em dia existem várias indústrias que aplicam os materiais, e inclusive os materiais puros em aplicações de utilidades comerciais, no entanto, isso também é freqüente para a utilização das ligas de um modo geral, no que diz respeito às misturas de materiais em diversas aplicações, particularmente naquelas que se usa o tratamento térmico para aumentar consideravelmente suas propriedades mecânicas de resistência, alongamento, etc. As ligas de Al-Mg-Si são endurecíveis por precipitação e podem ser tratadas termicamente na condição de T6 (tratamento térmico de solubilização seguido de têmpera e envelhecimento artificial) e na condição de T4 (tratamento térmico de solubilização seguido de têmpera e envelhecimento natural) para adquirirem adequada resistência mecânica. Sendo muito significante a resposta do endurecimento por precipitação nestas ligas, o tratamento térmico e o envelhecimento, tornam-se fatores importantes para que sejam alcançadas propriedades desejadas. Particularmente durante o processo de fabricação de fios e cabos condutores de energia elétrica, a liga (6101), em seu processo produtivo, é processada na solidificação e no processo de lingotamento contínuo rotativo (LCR) e depois num processo de laminação à quente até atingir a temperatura de têmpera de 75ºC, figura 1. A partir de então, o metal é resfriado à temperatura ambiente, tendo-se dessa forma uma solução sólida sobressaturada, com elevado grau de deformação. No estudo feito por (EDWARDS et. al., 1998) se descreve toda a seqüência de precipitados resultantes no processo de envelhecimento da liga 6061 (bastante próxima em termos de composição da liga em estudo 6101 ). Sua seqüência, proposta, está descrita a seguir: Al SSS; agrupamentos de Si/agrupamentos de Mg; dissolução de agrupamentos de Mg; co-agrupamentos de Mg/Si; estrutura não definida de pequenos precipitados; precipitados β (GPII); precipitados B e β e precipitados β ou Mg 2 Si. Figura 1 - Etapas do processo produtivo da liga 6101 (Al-0,6%Mg-0,5%Si) até atingir a temperatura de têmpera de 75ºC. Em seguida tem-se nos estudos de (MURAYAMA/HONO, 1999) a discussão da característica de dois passos no endurecimento por precipitação devido ao envelhecimento de ligas Al-Mg-Si. Por outro lado, (RINGER/HONO, 2000) em seus estudos mostram que a Revista Científica da UFPA Vol 3, março

3 natureza e a cinética do processo de endurecimento por precipitação depende das interações soluto/soluto por produzirem agrupamentos que precedem a formação de zonas GP. Recentemente, (GUPTA, LLOYD E COURT, 2001) em estudos de precipitação no envelhecimento natural com a liga Al-0,4%Mg-1,3%Si concluíram que o aumento da dureza deve-se, num primeiro momento, a precipitação de agrupamentos ou zonas de precursores metaestáveis, onde a máxima dureza é devida a agrupamentos de precipitados β, e quando seus estudos envolveram as ligas de Al-Mg-Si com excesso de silício concluíram que o excesso de silício não altera a seqüência de precipitação, mas promove a formação adicional de partículas que contribuem muito pouco para o endurecimento. Estes estudos deixam claro que, nas ligas de Al-Mg-Si, os precipitados são tipicamente o produto final de uma seqüência de modificações estruturais desenvolvidas no estado sólido que envolve a presença de fatores determinantes, como regiões de alta energia localizada. MATERIAIS E MÉTODOS Para a preparação da liga 6101 desde o seu vergalhão (300 mm x 10 mm) como produzido. Preparou-se uma grande quantidade das mesmas em 3 (três) blocos ou porções de 15 vergalhões para um estudo de aproximadamente 9 semanas. A priori, ao solubilizar as amostras a 540ºC, utilizou-se um forno tipo mufla (figura 2) de controle digital. As amostras foram submetidas a esta temperatura a intervalos de tempos de 2, 4 e 6 horas. Em seguida foram resfriadas em água a temperatura ambiente. As amostras foram usinadas longitudinalmente e transversalmente, e sendo as amostras transversais embutidas (figura 3) em uma solução de resina, catalisador e acelerador, para melhor manuseio e controle no momento do lixamento e polimento. Em semanas alternadas as amostras da liga 6101 foram lixadas e polidas em uma politriz rotativa rpm (figura 4) e atacadas posteriormente com os reagentes, tanto para a micro quanto para a macro em tempos (ataque dos reagentes) selecionados para cada solução, respectivamente. Para a micro utilizou-se o reagente HF (1ml de HF para 200ml de H 2 O) e para a macro utilizou-se dois, sendo: o reagente cáustico (10g de NaOH para cada 90 ml de H 2 O) e o reagente Tucker (45ml HCl, 15 ml HNO 3, 15 ml HF e 25 ml de H 2 O), (HANDBOOK, ASM 1999). Utilizou-se um microscópio óptico com máquina fotográfica para a examinação das fotos micro e macrográficas (figura 5). (2) (3) Figura (2) Forno tipo mufla utilizado no procedimento para a solubilização das amostras a 540ºC e (3) Ilustração de uma amostra embutida para melhor manuseio e controle no lixamento e polimento. Revista Científica da UFPA Vol 3, março

4 (4) (5) Figura (4) Politriz utilizada no lixamento e polimento das amostras e (5) Microscópio óptico com máquina fotográfica. UM BREVE COMENTÁRIO SOBRE A PRECIPITAÇÃO DE FASES COM O ENVELHECIMENTO A precipitação de fases durante o envelhecimento, em particular nas ligas de alumínio, é o principal mecanismo do tratamento conhecido como Endurecimento por Precipitação. Basicamente, a elevação das propriedades de resistência mecânica através da precipitação de fases no estado sólido, se dá no cumprimento de três etapas principais: Primeiramente, deve-se ter a formação de uma estrutura uniforme e monofásica da solução sólida, isto pode ser obtido através do aquecimento e permanência a temperaturas compreendidas entre as temperaturas solidus e solvus da liga, a esta etapa, dá-se o nome de Solubilização. Em segundo lugar a liga deve ser rapidamente resfriada para que se obtenha então, uma solução sólida supersaturada de elementos de liga (S.S.S), a essa etapa, dá-se o nome de Têmpera ou Quenching. Pôr último ocorrerá a decomposição da Solução Sólida Sobressaturada em patamares (Figura 6), constituindo a etapa de envelhecimento. As etapas acima estão descritas e ilustradas abaixo. Figura 6 Ilustração do processo de solubilização das amostras desde a temperatura ambiente (01) a 540ºC (02), e em seguida submetidas ao processo de tratamento térmico (03), resfriada em água. Do ponto (03) em seguida inicia-se o processo de envelhecimento natural da liga 6101 no decorrer do tempo. Revista Científica da UFPA Vol 3, março

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES MICRO E MACROESTRUTURAS DAS AMOSTRAS DA LIGA 6101 SOLUBILIZADAS À 540 O C NOS TEMPOS DE 2, 4 E 6 HORAS Os equipamentos e acessórios utilizados no desenvolvimento experimental da caracterização metalográfica foram bastante úteis e importantes para a obtenção de resultados revelados das estruturas da liga 6101 durante todo o período de envelhecimento sofrido e estando esta vulnerável a modificações estruturais. Nas figuras 7, 8, 9, 10, 11 e 12 (abaixo), podem ser vistas um conjunto de fotos macrográficas de amostras longitudinais envelhecidas naturalmente ao longo de 9 (nove) semanas de estudo. Já nas figuras 13, 14 e 15, o mesmo procedimento foi adotado, mas para um conjunto de fotos micrográficas com amostras longitudinais (03 semana) e transversais (05 e 09 semanas). PARA A MACROGRAFIA (PARA O REAGENTE DE MACRO TUCKER) TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 2h Figura 7 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente Tucker (50 s 100x). TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 4h Figura 8 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente Tucker (50 s 100x). Revista Científica da UFPA Vol 3, março

6 TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 6h Figura 9 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente Tucker (50 s 100x). PARA A MACROGRAFIA (PARA O REAGENTE DE MACRO CÁUSTICO) TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 2h Figura 10 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente NaOH (15min. 100x). TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 4h Figura 11 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente NaOH (15min. 100x). Revista Científica da UFPA Vol 3, março

7 TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO À 540ºC: 6h Figura 12 - Conjunto de macrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana, (c) 07 semana e (d) 09 semana, respectivamente. Reagente NaOH (15min. 100x). PARA A MICROGRAFIA (PARA O REAGENTE DE MICRO HF) TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO A 540ºC: 2h (a) (b) (c) Figura 13 Conjunto de micrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana e (c) 09 semana, respectivamente. Reagente HF (60s 100x). TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO A 540ºC: 4h (a) (b) (c) Figura 14 Conjunto de micrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana e (c) 09 semana, respectivamente. Reagente HF (60s 100x). Revista Científica da UFPA Vol 3, março

8 TEMPO DE SOLUBILIZAÇÃO A 540ºC: 6h (a) (b) (c) Figura 15 Conjunto de micrografias evidenciando a evolução do envelhecimento sobre: (a) 03 semana, (b) 05 semana e (c) 09 semana, respectivamente. Reagente HF (60s 100x). CONCLUSÕES No processo de solubilização das amostras a 540ºC, a liga em estudo (6101) forma uma única região monofásica para depois de feito o tratamento térmico (resfriada em água) até a temperatura ambiente, ocorra sobressaturação da solução sólida sem transformação de fases no sistema, ocasionando uma evolução e/ou mutação das estruturas decorrentes do endurecimento por precipitação ao longo do envelhecimento da liga. Na caracterização macrográfica, tanto para o reagente Tucker e o reagente Cáustico NaOH observa-se estruturas bastante diferentes. Perante isto, para os três tempos de solubilização (2,4 e 6 horas), permite-se concluir que: para a amostra de maior tempo (6hs) ocorreu uma menor formação de precipitados, e este fato, a nosso juízo, se deveu a maior e melhor condição de solubilização, compactando os grãos e retardando a precipitação. Na micrografia não se obteve resultados satisfatórios com o reagente HF, pois as microestruturas resultantes não ficaram tão evidentes. Isto pode se dá, devido: ou a pouca composição dos elementos de liga (liga 6101 diluída) ou a pouca concentração da solução ácida. Contudo, os resultados para a análise metalográfica das amostras da liga 6101, tiveram como grande finalidade avaliar as mudanças ou mutações das estruturas que evoluem devido ao endurecimento por precipitação, provocado pelo envelhecimento natural, ao longo das 9 (nove) semanas de estudo. PALAVRAS CHAVES: Liga Al-Mg-Si, tratamento térmico, solubilização. AGRADECIMENTOS PROPESP/PIBIC/CNPq e ao GRUPO GPEMAT (GRUPO DE PESQUISA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS-DEM/UFPA). Revista Científica da UFPA Vol 3, março

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] EDWARDS, G. A.; STILLER, K.; DUNLOP, G. L.; AND COUPER, M. J.; The Precipitation Sequence in Al-Mg-Si Alloys. Acta Mater; Vol. 46; Nº 11; pp ; [2] MURAYAMA, M. AND HONO, K.; Pre-Precipitate Clusters and Precipitation Processes in Al-Mg-Si Alloys. Acta Materialia; vol 47; Nº 5; pp ; (1999). [3] RINGER, S. P. AND HONO, K; Microstructural Evolution and Age Hardening in Aluminium Alloys: Atom Probe Field-Lon Microscopy and Transmission Electron Microscopy Studies. Elsevier Science Inc.; [4] GUPTA, A. K; LLOYD, D. J.; AND COURT, S. A.; Precipitation Hardening Processes in an Al 0,4%Mg 1,3%Si 0,2%Fe Aluminium Alloy. Materials Science and Engineering A301 (2001); pp [5] GUPTA, A. K; LLOYD, D. J.; AND COURT, S. A.; Precipitation Hardening in Al-Mg-Si Alloys With and Without Excess Si. Materials Science and Engineering A316 (2001); pp [6] ASM HANDBOOK, Metallography and Microstructures; Vol. 9; Revista Científica da UFPA Vol 3, março