21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

Transcrição

1 SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA DA LIGA AA2124 COM REFORÇO PARTICULADO DE NITRETO DE SILÍCIO ATRAVÉS DE TÉCNICAS DE METALURGIA DO PÓ O. O. Araujo Filho - Av. Arquitetura S/N Cidade Universitária CEP: oscaroaf98@hotmail.com C.A. Bezerra Junior A. D. A. de Moura E. G. de Araújo M. J. dos Santos L. G. T. C. de Melo RESUMO Este trabalho objetiva a fabricação de compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA2124 com reforço particulado de pós de nitreto de silício (Si 3 N 4 ). Os compósitos foram fabricados pela técnica da metalurgia do pó de moagem de alta energia utilizando moinho vibratório do tipo SPEX, seguida de compactação uniaxial a frio e sinterização a vácuo. As caracterizações microestruturais dos pós da liga AA2124 com o reforço de nitreto de silício (Si3N4) foram feitas através de técnicas de MEV, EDS e os tamanhos e a distribuição dos tamanhos das partículas dos pós processados foram obtidos por uma técnica de difração a laser; já a caracterização mecânica dos sinterizados foi por uma técnica de dureza Vickers (HV). Palavras-chave: Compósitos de matriz metálica de alumínio, liga de alumínio AA2124, metalurgia do pó (MP), moagem de alta energia (MAE). 4421

2 INTRODUÇÃO Compósitos metálicos são utilizados em muitas áreas no cotidiano, apesar de que, frequentemente, este uso não é notado. Esses materiais são produzidos in situ do processo convencional de produção e processamento de metais. Aqui, a espada Damascena pode ser citada, com sua estrutura curvada, resultado da soldagem de dois tipos de aço por forjamento repetitivo. Materiais como ferro fundido com grafite ou aço com alto teor de carbono, assim como carboneto de tungstênio, consistindo de carbonetos e ligantes metálicos, também pertencem a este grupo de materiais compósitos. Para muitos pesquisadores, o termo compósito de matriz metálica é frequentemente igualado ao termo compósito de matriz metálica leve (CMM) (1,2). As técnicas de metalurgia do pó (MP) podem ser utilizadas para processar materiais compósitos. Uma técnica específica de MP desenvolvida para produzir novos materiais no estado sólido é um caminho bem conhecido para obter compósitos de matriz metálica de ligas de alumínio. Compósitos de matriz metálica de ligas de alumínio combinam as boas propriedades do alumínio e suas ligas com baixas propriedades mecânicas com o reforço de fases cerâmicas, que agrega boas propriedades mecânicas a essas ligas (3,4). Neste trabalho, uma liga de alumínio AA2124 foi reforçada por partículas de nitreto de silício, um tipo de fase cerâmica. Os pós foram misturados e então processados para a formação de liga num moinho vibratório tipo SPEX. Então, os pós obtidos foram compactados e sinterizados a vácuo. Os compósitos sinterizados foram caracterizados por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e procedimentos ensaios de dureza Vickers (HV) para avaliar o comportamento mecânico. MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizados pós comerciais para a matriz do compósito, com composição mostrada na Tab.1, a liga AA2124 foi fabricado por PECHINEY HERMILLON, e a fase cerâmica de reforço utilizada foi de nitreto de silício, fornecida por SIGMA- ALDRICH. Foram utilizados quatro reforços em frações em massa de 5%, 10%, 15% e 20% de nitreto de silício (Si 3 N 4 ). 4422

3 Tabela 1- A composição química da liga de alumínio AA2124. AA2124 Al Cu Mg Mn %massa 93,50 4,40 1,50 0,60 Foi utilizada como mídia de moagem um vaso construído em aço inoxidável AISI 304L e esferas de aço (Fig. 1) fabricadas em aço SAE A potência de moagem (ou relação de massa esfera/pó) foi de 10:1. O moinho vibratório SPEX é mostrado nas Figuras 2 e 3. Fig. 1 - Vaso e esferas para moagem. Fig. 2 - Moinha vibratório Spex. Fig- 3. Moinho vibratório Spex Foram realizados dois tempos de moagem, um de 30 min e outro de 60 min, no entanto, os pós compactados utilizados no passo de sinterização subsequente foram os submetidos a 60 min de moagem de alta energia. Os pós foram compactados uniaxialmente a frio (temperatura ambiente) a uma pressão de 7.0 t/cm 2 (700 MPa) utilizando uma prensa compactadora do LABMEC Laboratório de Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica UFPE, com capacidade nominal de 80 toneladas. Fig. 4 - Matriz utilizada na compressão uniaxial a frio. Fig. 5 - Forno a vácuo utilizado Fig. 6 - As amostras no interior do forno a vácuo. 4423

4 Foi utilizada uma matriz cilíndrica vazada com base inferior móvel, e uma punção cilíndrica, ambos feitos de aço ferramenta AISI D6 (Fig. 4), fornecido por Villares Metals (nome comercial VC 131). Após a compactação foram obtidos discos compactados com dimensão de aproximadamente mm de diâmetro e 4.00 mm de espessura. O compósito foi então sinterizado a vácuo (10-5 Torr) no IPEN. A temperatura de sinterização foi de 500 ºC durante 5h, com um incremento de 20 C/min. O forno utilizado é exibido na Fig. 5. O MEV dos pós do compósito foi realizado no Departamento de Física da UFPE através de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) acoplada JEOL JSM As densidades dos discos compactados e sinterizados foram calculadas a partir das massas e volumes, compactados e sinterizados. Para determinar a massa, foi utilizada uma balança analítica digital. Os ensaios mecânicos de dureza Vickers (HV) foram realizados com uma carga de 5.0 Kgf em acordo com a NBR NM para avaliar os resultados das propriedades mecânicas de dureza do compósito. Cinco experimentos foram realizados para cada amostra. RESULTADOS E DISCUSSÃO Si3N4. As Figuras 7 e 8 exibem as amostras do compósito de AA2124 reforçados por Fig 7 - Amostras no forno a vácuo. Fig. 8 - Amostra do compósito AA2124 reforçado com Si3N4 sinterizado. 4424

5 As Figuras 9, 10, 11 e 12 exibem a distribuição de diâmetros de partículas dos pós da liga AA2124 reforçada por Si 3 N 4 em relação às frações de volume de 0,1, 0,5 and 0,9 dos testes de granulometria (difração a laser). Fig. 9. Gráfico de AA2124+5%Si3N4 processado por 30 e 60 min. Fig. 10. Gráfico de AA %Si3N4 processado por 30 e 60 min. Fig. 11. Gráfico de AA %Si3N4 processado por 30 e 60 min. Fig. 12. Gráfico de AA %Si3N4 processado por 30 e 60 min. Fig. 13 e 14 exibem imagens de MEV do AA2124 reforçado por nitreto de silício processado por uma moagem de alta energia. Fig. 13. MEV do AA2124 reforçado com 10% de Si3N4 processado por 60 min. Fig. 14. MEV do AA2124 reforçado com 15% de Si3N4 processado por 60 min. 4425

6 A Fig. 15 mostra um espectro de EDS do compósito de AA2124 reforçado por 15% em massa de Si 3 N 4, fabricado por técnicas de MP de moagem de alta energia, compactação uniaxial a frio e sinterização a vácuo, apresentando picos de alumínio e da fase cerâmica de Si 3 N 4. cps/ev O Al Si Fig EDS de AA2124 reforçado com 15% de Si3N4 processado por 60 min kev As Fig. 17 a 20 mostram imagens do MEV do compósito de AA2124 reforçado por Si3N4 sinterizado. Pode-se observar a boa e homogênea distribuição da fase cerâmica na matriz AA2124. Fig MEV de AA2124+5%Si3N4 processado por 60 min. Fig MEV de AA %Si3N4 processado por 60 min. 4426

7 Fig. 19. MEV de AA %Si 3 N 4 processado por 60 min. Fig. 20. MEV de AA %Si 3 N 4 processado por 60 min. A Fig. 21 mostra a dureza Vickers (HV) do compósito de matriz metálica AA2124 reforçado com Si 3 N 4. Fig.21. Dureza Vickers (HV) do AA2124 reforçado com Si 3 N 4. CONCLUSÕES A preparação do compósito sinterizado de liga de alumínio AA2124 reforçado por 5%, 10%, 15% e 20% em percentuais de massa de Si 3 N 4 foi realizada com eficiência, utilizando o método de processamento da metalurgia do pó de moagem de alta energia, compactação uniaxial a frio e sinterização. O tempo de moagem de 30 min foi insuficiente para o reforço incorporar na matriz de liga de alumínio AA2124, enquanto que 60 min de processamento forneceu melhor incorporação, homogeneidade e uniformidade quanto à distribuição do reforço cerâmico na matriz. 4427

8 Após o processamento da moagem de alta energia no moinho vibratório SPEX, verificou-se uma redução considerável no diâmetro das partículas de pó e incorporação de partículas duras na matriz dúctil de liga de alumínio. As imagens de MEV dos pós processados mostraram uma inserção e distribuição eficiente da fase cerâmica do reforço na matriz sem aglomerações. Os resultados de dureza mostram linearidade crescente com o aumento da fração de reforço na matriz, destacando o efeito positivo da técnica da metalurgia do pó usando moagem de alta energia na produção de compósitos de liga de alumínio. REFERÊNCIAS 1.K. K. Chawla, Composite Materials Science and Engineering. New York, Springer Verlag, T.W. Clyne; P.J. Withers, An introduction to metal matrix composites, Cambridge University Press Fogagnolo J.B. et al. The effects of mechanical alloying on the compressibility of aluminium matrix composite powder, (2003), Suryanarayana C., Mechanical alloying and milling. Progress in material science, New York, SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF AA 2124 ALUMINUM ALLOY METAL MATRIX COMPOSITES REINFORCED BY SILICON NITRIDE AND ALUMINA PROCESSED BY POWDER METALLURGY ABSTRACT This work aims the synthesis and characterization of metal matrix composites of AA2124 aluminum alloy reinforced by Silicon Nitriide (Si 3 N 4 ). The high energy ball milling step was processed in a vibratory SPEX mil. The composite powders and the sintered composites were evaluated by SEM, EDS and the mechanical property of hardness by means of Vickers hardness (HV). Key-words: aluminum metal matrix composites, AA1100 alloy, powder metallurgy, high energy ball milling. 4428