CORRELAÇAO DO EFEITO DO TRABALHO A FRIO COM AS PROPRIEDADES ELETROMECÂNICAS SOBRE A LIGA Al-Cu-Fe-Si MODIFICADA COM OS SOLUTOS Ti E Ni

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1 CORRELAÇAO DO EFEITO DO TRABALHO A FRIO COM AS PROPRIEDADES ELETROMECÂNICAS SOBRE A LIGA Al-Cu-Fe-Si MODIFICADA COM OS SOLUTOS Ti E Ni Fernandes,E.A (1);Lobato, M.Q. (1); Prazeres, E.R.(1); Sousa, C.A.C.(1);Quaresma,J.M.V.(1) (1) Universidade Federal do Pará UFPA eaf_1980@hotmail.com RESUMO O presente trabalho foi realizado com a finalidade de estudar o efeito dos elementos de liga titânio (teor de 0,05% em peso) e de níquel (teor de 0,03% em peso) na liga Al-0,05%Cu-[0,24-0,28]%Fe-0,7%Si para fins de transmissão e distribuição de energia elétrica. Adotou-se sequencia operacional a fim de caracterizar as estruturas brutas de fusão apresentadas pelas ligas. Os processos de solidificação foram realizados em molde unidirecional horizontal e os lingotes, assim que obtidos, passaram pelos processos mecânicos de usinagem e laminação para obtenção de corpos de prova com quatros diâmetros: (2,7; 3,0; 3,8; 4,0) mm, a fim de aproximar estes das bitolas utilizadas em indústrias de cabos elétricos. Todas as ligas foram caracterizadas macroestruturalmente [refino de grão], mecanicamente por meio do ensaio de tração [LRT] e eletricamente através da condutividade elétrica [%IACS]. Posteriormente, para a melhor compreensão dos resultados foram avaliados os valores de alongamento e microcavidades. Implicando que o diâmetro 3,00 mm e a modificação com 0,05%Ti foram os que apresentaram os melhores resultados. Palavras-chave: Elementos de Ligas, refino de grão, microestrutura. INTRODUÇÃO Nos últimos anos o mundo tem assistido a um aumento constante da demanda de energia elétrica, industrial e doméstica. No Brasil, recentemente, houve investimentos no setor de energia elétrica, como os 126,3 bilhões aplicados na segunda fase do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC2), o que abrange as áreas de geração e transmissão, permitindo assim ampliar a capacidade do parque gerador brasileiro em megawatts, que ainda não é o suficiente para 4760

2 suprir a necessidade da nação. Devido à alta demanda, surgem problemas como o aumento de temperatura nos cabos e linhas de transmissão, que tem como principal consequência, a deterioração das características mecânicas. Para tentar minimizar esses problemas, tem-se estudado o melhoramento de linhas de transmissão de energia, tais como ligas que resistam mais às altas temperaturas sem perderem as propriedades mecânicas e elétricas (1). Dentro desta realidade, o presente trabalho propõe-se a caracterizar eletromecanicamente a liga Al-0,05%Cu-[0,24-0,28]%Fe-0,7%Si modificada com os teores de 0,050% Ti e 0,030% Ni, objetivando relacioná-lo com o refino de grão e o trabalho a frio. MATERIAIS E MÉTODOS As ligas foram obtidas por fundição direta no Sub-laboratório de Metalografia e Tratamento Térmico da UFPA a partir do alumínio eletrocondutor (Al-EC ou Al- 1350), sendo que a liga com apenas 0,7%Si foi obtida a partir do alumínio puro. Posteriormente, na proporção adequada para obtenção das composições químicas, à liga base foram feitas as adições dos solutos 0,050%Ti e 0,030)%Ni. O processo de fundição é iniciado com o corte dos lingotes de alumínio e outros elementos para compor a liga. E após a pesagem, as massas dos materiais são introduzidas em um cadinho de carbeto de silício de 3,5 L de volume, o qual é pintado internamente com solução de caulim para evitar a aderência da liga na parede do cadinho, e submetido a um pré-aquecimento de vinte minutos a 150 C para eliminar a umidade. Após a obtenção da liga base [Al-0,05%Cu-[0,24 a 0,28]%Fe0,7%Si], ocorreram as adições dos teores de 0,050% Ti e 0,030% Ni em cadinhos diferenciados. O sistema operacional adotado para a solidificação da liga foi o molde unidirecional horizontal. Logo após o desmolde, os perfis obtidos foram usinados para o diâmetro de 9,5 mm, os quais foram,posteriormente, submetidos ao processo de deformação por laminação a frio que gerou os corpos de provas em forma de fios, nas dimensões de 4,0; 3,8; 3,0 e 2,7 mm, obtendo-se assim os corpos de prova finais para realizar os ensaios de resistência elétrica e tração. O fluxograma abaixo, Fig. 01, representa o detalhamento das atividades 4761

3 Liga Al 0,05%Cu [0,35-0,45]%Fe 0,050% Ti 0,030% Ni Composição Química Solidificada em Molde Unidirecional Horizontal Usinadas para o ø 9,5 mm Laminados para os ø [4,0;3,8;3,0;2,7 ] mm Caracterização Elétrica Mecânica RESULTADOS E DISCUSSÕES Análise dos Resultados Figura 01 Detalhamnto das atividades. Caracterização química Os resultados da análise da composição química podem ser vistos na Tab. 1. A leitura da composição foi obtida a partir de análise em espectrômetro óptico, como descrito na seção anterior. Os valores mostram que as composições se enquadram dentro das faixas de atuação desejadas. Tab. 1 Composição das ligas modificadas com Titânio e Níquel. Liga Elementos de Liga (%p) Ferro Cobre Silício Titânio Niquel Al-Base-0,7% Si 0,2412 0,0517 0, Al-Base-0,7%p Si-0,050% Ti 0,2559 0,0512 0,7052 0,0497 Al-Base-0,7%p Si-0,030% Ni 0,2733 0,0502 0, ,0304 Caracterização macroestrutural A evolução das estruturas produzidas para a liga Al-0,05%Cu-[0,24-0,28]%Fe- 0,7%Si e para as ligas modificas com os teores de Ni e Ti, são apresentadas na Fig. 01. A estrutura das ligas foi revelada por meio de ataque com solução química Poulton. 4762

4 (a (b (c) Fig. 01 Macrografias da liga base e das ligas modificadas com Ti e Ni, molde unidirecional horizontal. Observa-se que o tamanho e a orientação dos grãos pouco mudam sua configuração com a presença do teor de 0,030% Ni na liga base Al-0,05%Cu-[0,24-0,28]%Fe-0,7%Si. Constata-se que a presença de Ni não tem a capacidade de refinar os grãos da estrutura bruta de fusão da liga base, apresentando mescla de grãos colunares orientados. Em relação ao Ti, observa-se que o tamanho e a orientação dos grãos sofreram grandes modificações em relação à liga base. Fica evidente, na Fig. 01, a potente ação de refinador de grãos do Ti, confirmando estudos que mostraram tal atuação do Ti em ligas de alumínio (FREITAS, 2010) (2). Por outro lado, quando se compara os aspectos macro estruturais observados nas Fig.01a e 01c, têm-se a compreensão quanto à importância da ação da afinidade entre o metal e o molde como agente que pode contribuir para refinar o grão. Segundo Garcia (2011) (3) as estrutura que se forma imediatamente após a solidificação determina as propriedades do produto final e cujas características mecânicas dependem da macroestrutura e da microestrutura resultantes. Trabalhabilidade das ligas Os resultados mostrados no gráfico evidenciam o grau de deformabilidade na conformação mecânica aplicado aos perfis obtidos. Considerando que as amostras são usinadas para o diâmetro de 9,5 mm e então laminadas para uma sequência de diâmetros de interesse comercial, tais como Ф = [4,0; 3,8; 3,0 e 2,7] mm, foi possível construir os gráficos da Fig. 02, nos quais pode ser observado, passe a passe, como 4763

5 Trabalho a Frio[k u (%)] Variaçao [k u (%)] 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais o material foi deformado para posteriormente serem avaliadas suas propriedades elétricas e mecânicas. Na Fig. 02(a), tem-se gradativamente o aumento do encruamento. A Fig. 02(b) mostra que, entre um passe e outro, o encruamento ou trabalho a frio aplicado vai sendo acumulado para o passe seguinte, sendo maior para o diâmetro de 3,00 mm ,02 valores medidos 91,92 (a) ,03 Valores medidos 3,24 (b) 80 84,00 82,27 79,03 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 Diametro de deformaçao(mm) 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Fig. 02 Trabalho a frio e variação de deformação em solidificação unidirecional horizontal ,89 Diametro(mm) 1,73 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA No modelo de solidificação unidirecional horizontal, os valores que caracterizam as ligas quanto às propriedades elétricas se encontram plotados, como mostra a Fig. 03, e os resultados não apresentam a adição dos teores de 0,05%Ti e de 0,03%Ni como capazes de favorecerem a condutividade elétrica (%IACS). Os dois [02] elementos modificadores, nos teores utilizados, apresentaram comportamento semelhantes, com discreta superioridade para Ti em relação ao Ni. Cond. Elétrica (ACS) 65,0 62,5 60,0 57,5 55,0 52,5 50,0 47,5 Al-0,7% Si Al-0,05% Ti Al-0,03% Ni 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Diâmetro do Fio (mm) Fig. 03 Condutividade elétrica das ligas em solidificação estática unidirecional horizontal. 4764

6 LRT (MPa) Alongameneto(%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Os menores diâmetros de fio dentem a melhorar a condutividade elétrica, sendo este comportamento atribuído ao fenômeno da recuperação dinâmica. Nesse aspecto, destacam-se os perfis com o diâmetro de 3 mm, que sofrem uma maior acumulo de tensão na cadeia de laminação Fig.02 (b). Caracterização mecânica Os valores de resistência mecânica e alongamento das três ligas estão apresentados na Tab. 02 e plotado no gráfico da Fig.04(a) e 04(b). Observa-se que as ligas apresentaram do ponto de vista mecânico, comportamento que também pode estar associado tanto a adição do teor de Ni e Ti quanto ao crescente grau de deformação à frio com que foram produzidos os perfis em estudos. Tab.2 Correlação das ligas com o limite de resistência à tração (LRT) e Alongamento. Diâmetro 0,7%Si 0,050%Ti 0,030%Ni (mm) LRT (MPa) Alongamento LRT (MPa) Alongamento LRT (MPa) Alongamento em (%) em (%) em (%) 2,7 181,39 6,42 189,17 5,83 184,65 5,32 3,0 197,71 4,72 216,43 6,62 205,39 4,46 3,8 165,61 7,23 183,75 4,59 178,78 6,34 4,0 168,27 7,08 286,17 5,88 182,32 6,05 As ligas analisadas individualmente na Fig. 04, tendo por base o teor de Ni e Ti, apresentaram para o diâmetro de 3,0 mm melhores resultados. Isto pode ter ocorrido devido ao maior grau de deformação que naturalmente pode estar vinculado a menores índices de recuperação dinâmica, sofrido pelos fios. 220 Al-0,70% Si Al-0,050% Ti 210 Al-0,030% Ni ,0 Al-0,70% Si Al-0,050% Ti 7,5 Al-0,030% Ni 7,0 6,5 6, , ,0 4,5 4, ,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Diâmetro do Fio (mm) 3,5 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 Diametro(mm) a b c 4765

7 Fig. 04 Resistência mecânica alongamento e microestrutura da liga base com adição de Ti e Ni Em vista de ter idêntico grau de deformação imposto aos três perfis, o que se entende como possível causa da divergência na evolução dos perfis no alongamento para a liga modificada com 0,050% Ti são: o grão refinado e a coerência do Ti com a matriz de alumínio. As micrografias realizadas no diâmetro de 3,0 mm por apresentar os melhores resultados de IACs e LRT, dessa forma foram avaliadas as topografias das fraturas. Como resultado pode-se observar que as microcavidades do fio após ensaio de tração mostram aspectos diferenciados, onde a liga com Ti tem uma uniformidade maior em relação às demais ligas, esse aspecto pode está associado ao refino de grão que por sua vez este associado a maiores limites de resistência mecânica (LRT), figura (4b). CONCLUSÕES Para os teores propostos de Ti e Ni constatou-se que o Ti agiu de fato como refinador de grão, Fig.(01b), no entanto o Ni não apresentou esta propriedade no teor proposto. Avaliando a trabalhabilidade da liga a quantidade de trabalho à frio que está sendo imposto aos perfis de interesse mostra que há um acumulo maior no diâmetro de 3,0 mm, isso pode esta influenciando diretamente nos valores de LRT e IACs. Na avaliação quanto ao elemento modificador do sistema Al-Cu-Fe-Si, foi constatado que os solutos Ti e Ni não aumentam a condutibilidade elétrica em relação à liga base. Na abordagem quanto à resistência mecânica evidenciou-se que as ligas com adição dos solutos Ti e Ni melhoram significativamente o LRT, o que reflete sobre o maior grau de encruamento que os perfis estão submetidos. Em relação ao alongamento, as respostas apresentadas através do gráfico contidos na Fig. 04, permite constatar que o material reage como esperado, isto é; maiores LRT estão associados a maiores intensidades de trabalho a frio, que por sua vez está associado ao menor alongamento. No entanto para o elemento titânio observou-se o comportamento oposto ao inverso da matriz de laminação, provavelmente está associado a sua baixa taxa de incoerência coma a matriz de alumínio. Dos perfis analisados o diâmetro de 3,00mm foi o que se apresentou os resultados mais 4766

8 satisfatórios, tanto para deformabilidade, LRT, condutividade elétrica quanto para o alongamento, o que faz desse perfil o elemento de destaque nesse trabalho. REFERÊNCIAS (1).ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ALUMÍNIO (ABAL). Disponível em: < Acesso em: 04 jun (2) FREITAS, E. S. Correlação entre as propriedades mecânicas e elétricas de fios para Tx e Dx de energia elétrica do Al-EC modificado com teores de silício e zircônio. Dissertação de mestrado Universidade Federal do Pará, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Belém, (3) GARCIA, A. Solidificação: Fundamentos e Aplicações. Campinas: Ed. Unicamp, CORRELATION BETWEEN THE EFFECT THE COLD WORK WITH ELECTROMECHANICAL PROPERTIES OF ALLOY Al-Cu-Fe-Si MODIFIED WITH SOLUTES Ti AND Ni ABSTRACT This study was conducted with the purpose of studying the effect of the titanium alloying elements (content of 0,05% by weight) and nickel (content of 0,03 wt%) in the alloy Al-0,05% Cu [0,24 to 0,28]% Fe-0,7% Si for transmission and distribution of electricity. The operating sequence was adopted in order to characterize gross structures made by melting alloys. Solidification processes were performed on unidirectional horizontal mold and ingots, so obtained, and passed by mechanical machining and lamination for obtaining specimens with four diameters: (2,7; 3,0; 3,8; 4,0) mm, in order to approximate those of the gauges used in electrical cables industries.all alloys were thermally characterized mechanically by means of tensile test [LRT]and electrically by the electrical conductivity [% IACS].Subsequently, to better understand the results the values of elongation and wells were evaluated.causing the diameter 3,00 mm and modification with 0,05% Ti were those with the best results. Key-words: Elements alloys, grain refinement, microstructure. 4767