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 INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS DE MATRIZ DE ALUMÍNIO OBTIDOS POR METALURGIA DO PÓ Zanatta, A. M. *; Da Costa, C. E. 1 ; Da Silva, R. F. 2 Universidade do Estado de Santa Catarina Udesc - CCT - Joinville-SC - Brasil andrezanatta@yahoo.com.br *, edil@joinville.udesc.br 1, rodriengmec@yahoo.com.br 2 RESUMO Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito do tratamento térmico T1 e T6 em compósitos de matriz de alumínio. Os corpos de prova utilizados foram de liga de alumínio AA2124, obtida por Ligação Mecânica, e compósitos de matriz de alumínio reforçado com partículas cerâmicas e intermetálicos. Foram obtidos por técnicas convencionais de metalurgia do pó e em seguida extrudados a quente. Foram obtidas barras extrudadas com 5 milímetros de diâmetro. A caracterização mecânica foi realizada através de ensaios de tração e dureza, realizados antes e depois do tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificial. A identificação dos mecanismos de fratura entre o reforço e a matriz foi feita por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A consolidação por extrusão a quente e os tratamentos térmicos se mostraram eficientes na formação interfaces entre a matriz e o reforço. Essa interface possui papel fundamental na otimização das propriedades dos compósitos em relação às ligas. PALAVRAS CHAVE: Compósito Matriz Metálica, Alumínio, Tratamento Térmico, Propriedades Mecânicas. CÓDIGO 854

2 INTRODUÇÃO Compósitos de Matriz Metálica (CMMs) estão sendo investigados por causa das suas propriedades superiores em relação aos materiais convencionais. A fim de melhorar o comportamento mecânico e térmico final dos Compósitos de Matriz de Alumínio (CMAs) utiliza-se a dispersão de reforços tais como intermetálicos, carbetos ou nitretos em ligas de alumínio. Atualmente, os dois maiores fatores limitantes na aplicação desses materiais são o alto custo e as reações de interface reforço/matriz que ocorrem durante o processamento e em altas temperaturas de serviço [1],[2]. O processamento de CMAs via Metalurgia do Pó (MP) contribui para a boa distribuição do reforço, sem os problemas de segregação dos compósitos fundidos. A extrusão a quente propicia uma alta coesão entre as partículas [3],[4]. Uma das técnicas para o aumento da resistência das ligas de alumínio é o tratamento térmico de endurecimento por precipitação. Esse tratamento produz uma segunda fase precipitada que dificulta o movimento das discordâncias. Alguns sistemas evoluem para estados mais estáveis à temperatura ambiente, o chamado envelhecimento artificial. Outros necessitam de temperaturas mais ou menos altas para alcançar estados estáveis, recebendo o nome de envelhecimento artificial [5],[6]. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A liga AA2124 produzida via Ligação Mecânica (10 h de moagem / 700 rpm) foi utilizada como liga base e três reforços diferentes foram utilizados, Si 3 N 4 (partículas menores que 10 μm), TiAl atomizado (partículas menores que 25 μm) ou TiN (partículas menores que 20 μm). A obtenção do compósito foi através da mistura do pó da liga base de alumínio ao reforço por meio de agitação manual com auxilio de bolas de alumina misturadas ao pó, por um tempo de vinte minutos. O compósito então foi compactado 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 temperatura de extrusão do compósito foi de 490 o C. Resultando em barras com 5 mm de diâmetro. 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 de extrusão a qual esta dentro da temperatura de solubilização, o compósito precipitou naturalmente, chamamos esse tratamento térmico de T1. Por outro lado, o compósito foi submetido à solubilização e envelhecimento artificial, chamado de T6. Tabela 1 - Condições do tratamento térmico T6. Liga base do Temperatura de Temperatura de Tempo de compósito solubilização envelhecimento envelhecimento AA ± 5 o C 190 ± 5 o C 12 horas O ensaios de tração foram realizados em corpos de prova retirados das barras extrudadas. Foram realizados ensaios de micro-dureza HV0,5. Avaliou-se a superfície da fratura e a microestrutura dos compósitos através de microscópio eletrônico de varredura (MEV). DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Os resultados de resistência mecânica, obtidos nas ligas e compósitos, fabricados por MP foram superiores aos resultados de resistência dos mesmos fabricados via fundição encontrados na literatura. A melhora das propriedades é alcançada em detrimento da homogeneidade da liga base fabricada via ligação mecânica e da boa distribuição dos reforços no compósito obtido pela MP, o que evita as inconvenientes segregações resultantes na fabricação de compósitos por via líquida. Não ocorreram mudanças significativas nos resultados de resistência máxima do tratamento térmico T1 para o T6, o que indica que a alta temperatura de extrusão utilizada na conformação do material possibilitou o tratamento térmico direto, obtendo-se assim precipitados por envelhecimento natural. Notou-se apenas a queda no alongamento desses compósitos com o tratamento T6 (Figura 1).

3 Propriedades Mecânicas Tensão Máxima (MPa) Tensão Máxima T1 Alongamento T1 Tensão Máxima T6 Alongamento T Alongamento (%) 0 AA2124 5% Si3N4 5% TiAl 10% TiAl AA % TiN 0 Figura 1 - Propriedades mecânicas da liga base e dos compósitos. A dureza da liga AA2124 resultou em um aumento após o tratamento térmico T6, o mesmo ocorreu com os compósitos. Com exceção dos reforçados com TiAl, onde o tratamento T6 não alterou os valores de dureza alcançados com a precipitação natural (Figura 2). Provavelmente esse pequeno aumento se deve pelo fato de que o tratamento térmico T1 já possibilitou bons resultados de dureza Micro Dureza Dureza Vickers T1 Dureza Vickers T6 HV 0, AA2124 5% Si3N4 5% TiAl 10% TiAl AA % TiN Figura 2 - Micro dureza da liga base e dos compósitos. As fraturas observadas no MEV evidenciam o mecanismo de ruptura dúctil das ligas, para ambos os tratamentos térmicos (Figura 3).

4 Figura 3 - Fratura na liga AA2124 T1, 2000x. Figura 4 - Fratura compósito 5% Si 3 N 4 T1, 700x. Figura 5 - Fratura compósito 5% Si 3 N 4 T6, 5000x. Figura 6 - Fratura compósito 10% TiN T1, 700x. Figura 7 - Fratura compósito 10% TiN T6, 5000x.

5 Figura 8 - Fratura compósito 5% TiAl T6, 200x. Figura 9 - Fratura compósito 5% TiAl T6, 3000x. Figura 10 - Fratura compósito 10% TiAl Figura 11 - Fratura compósito 10% TiAl T1, 200x. T6, 3000x. As fraturas observadas no MEV não apresentaram diferenças em relação aos tipos de tratamento térmico. Observa-se uma boa homogeneidade na distribuição do reforço, obtido por mistura manual (Figura 4, Figura 6, Figura 8 e Figura 10). Os compósitos reforçados com Si 3 N 4 apresentaram valores de resistência máxima equivalente à liga base, a morfologia das partículas de reforço (irregular) e uma leve interação com a matriz garantiram resultados equivalentes (Figura 5). Resultados intermediários foram observados nos compósitos reforçados com TiN, a morfologia da partícula de reforço (irregular) e fraca interação com a matriz resultaram em valores de resistência máxima entre a dos compósitos reforçados com Si 3 N 4 e os reforçados com TiAl (Figura 7). A morfologia das partículas de reforço (esféricas) e a fraca interação do reforço com a matriz pode ser a causa provável para a queda entre 10 a 20 % da resistência nos compósitos reforçados com TiAl (Figura 9 e Figura 11). Em todos os compósitos observou-se o destacamento das partículas de reforço da matriz, em maior ou menor grau. Na interface matriz/reforço em que não há coerência com a matriz pode haver fratura (Figura 5, Figura 7, Figura 9 e Figura 11). O alongamento diminuiu em relação à liga base com a adição de reforço, tanto para amostras com tratamento térmico T1 quanto para o T6 em todos os compósitos. Variações mais acentuadas no comportamento da resistência dos compósitos sob a influência dos diferentes tratamentos térmicos poderiam ser obtidas com ensaios de fadiga.

6 CONCLUSÕES O processo de metalurgia do pó propicia melhores resultados de resistência mecânica em relação a processos convencionais. Uma tendência de queda na resistência máxima foi obtida com a adição de reforços na liga base, provavelmente devido à fraca interação matriz/reforço. O compósito reforçado com Si 3 N 4 resultou em uma resistência máxima similar a da liga base, em detrimento de uma melhor coesão da interface matriz/reforço. O tratamento térmico T6 não alterou o valor de resistência máxima em relação ao T1 (tratamento térmico direto). Ocorreu uma diminuição do alongamento após o tratamento térmico T6. A dureza é elevada em todos os casos estudados, enfatizando o efeito de endurecimento devido à utilização da técnica de conformação de preformas obtidas por metalurgia do pó e conseqüente refino da microestrutura. REFERÊNCIAS [1] ADAMIAK, M.; FOGAGNOLO, J. B.; RUIZ-NAVAS, E. M.; DOBRZANSKI L. A.; TORRALBA, J. M., Mechanically milled AA6061/(Ti3Al)P MMC reinforced with intermetallics - the structure and properties, Journal of Materials Processing Technology, Volumes , Proceedings of the International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies: Part 2, 30 November 2004, Pages [2] DOBRZANSKI, L. A.; WLODARCZYK A.; ADAMIAK, M., The structure and properties of PM composite materials based on EN AW-2124 aluminum alloy reinforced with the BN or Al2O3 ceramic particles, Journal of Materials Processing Technology, Volume 175, Issues 1-3, Achievements in Mechanical & Materials Engineering, 1 June 2006, Pages [3] FOGAGNOLO, J. B.; ROBERT, M. H.; TORRALBA, J., Mechanically alloyed AlN particle-reinforced Al-6061 matrix composites: Powder processing, consolidation and mechanical strength and hardness of the asextruded materials, Materials Science and Engineering: A, Volume 426, Issues 1-2, 25 June 2006, Pages [4] FOGAGNOLO, J. B.; RUIZ-NAVAS, E. M.; ROBERT, M. H.; TORRALBA, J., 6061 Al reinforced with silicon nitride particles processed by mechanical milling, Scripta Materialia, Volume 47, Issue 4, 20 August 2002, Pages [5] DA COSTA, C. E.; VARGAS, M.; PARUCKER, M. L., Estudo das condições de tratamentos térmicos de ligas de alumínio e compósitos obtidos via Metalurgia do Pó. Jornadas SAM CONAMET - AAS 2001, Septiembre de [6] SALVADOR, M. D.; AMIGO, V.; MARTINEZ, N., BUSQUETS, D. J., Microstructure and mechanical behaviour of Al-Si-Mg alloys reinforced with Ti-Al intermetallics, Journal of Materials Processing Technology, Volumes , Proceedings of the International Conference on the Advanced Materials Processing Technology, 2001., 20 December 2003, Pages [7] American Society for Testing and Materials - ASTM, Standart practice for heat treatment of aluminum alloys, 1986.