SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO DE UMA NOVA LIGA Al3,9%Si RECICLADA PARA PROCESSOS DE TIXOFORJAMENTO

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1 SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO DE UMA NOVA LIGA Al3,9%Si RECICLADA PARA PROCESSOS DE TIXOFORJAMENTO A. A. Reis L. P. Oliveira C. M. L. Santos E. A. Vieira estefanovieira@ifes.edu.br Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES RESUMO O tixoforjamento é uma metodologia a partir de um material sólido previamente condicionado e parcialmente refundido que após um tempo de espera é conformado em uma matriz semelhante ao forjamento convencional cujo processamento requer altas frações de sólido. Neste estudo foram analisadas quais as temperaturas e os tempos de solubilização e de envelhecimento artificial que determinam o melhor procedimento para alcançar as propriedades mecânicas de maior resistência mecânica possível para uma nova liga termicamente tratável obtida pelo processo de reciclagem de latas de alumínio com adição de 3,9% de silício metálico. Foram utilizadas a evolução da dureza, a análise microestrutural e mais a análise térmica diferencial (ATD) das amostras para viabilizar o uso desta nova liga no estado semi sólido (ESS). Palavras-Chave: alumínio, latas, tixojorjamento, ATD, T6. 154

2 1. Introdução As ligas de alumínio-silício são de grande interesse industrial devido às características que justificam o seu uso mais freqüente na fabricação de peças automotivas, como por exemplo, a capacidade de endurecimento por precipitação aliada à fluidez e a possibilidade de seu processamento no Estado Semi-Sólido (ESS). Esta nova liga de Al3,9%Si obtida de sucata de latas apresenta uma faixa de temperatura no ESS que permite sua conformação utilizando estrutura globular. O tixoforjamento, processamento que requer altas frações de sólido (fs=0,6), melhora sob o ponto de vista dos esforços necessários à fabricação de peças e as propriedades mecânicas quando comparadas aos produtos fundidos ou injetados sob pressão. A máxima resistência mecânica de uma liga metálica é obtida em razão da formação dos precipitados finamente dispersos na matriz que interage no movimento de discordância. Estes precipitados produzem um leve desajuste na matriz ocasionando um aumento de tensões em suas vizinhanças. Existe uma distribuição crítica de dispersão de precipitados onde obtém a resistência mecânica máxima que depende do sistema da liga combinado com o tamanho das partículas. Assim estes precipitados podem ser coerentes e deformáveis com a matriz quando as partículas são pequenas ou incoerentes e indeformáveis quando as partículas são grandes que possibilita as discordâncias contorná-las. As referências do tratamento térmico foram escolhidas de forma que sejam economicamente viáveis para um processo industrial. 2. Materiais e métodos As atividades de desenvolvimento deste trabalho seguem as sequências indicadas no fluxograma da figura 1 abaixo: 155

3 Preparação da matéria prima (fusão das latas) e adição de Si Análise térmica Diferencial- DTA Nova liga Al3,8%Si Análise Microestrutural microscópio ótico (M.O) Análise química / Homogeneização Análise Microestrutural microscópio ótico (M.O) Tratamento térmico de solubilização 530 C por 12h Envelhecimento natural horas Tratamento de Envelhecimento Artificial 155 C 220 C 300 C 0,5h 1h 2 h 3h 4h 5h 6h Preparação metatográfica Observação em M.O Ensaio Mecânico / dureza brinell Determinação par tempotemperatura (T6) Figura 1. Fluxograma das atividades realizadas 156

4 A preparação da nova liga deste trabalho partiu-se de uma liga obtida a partir de reciclagem de latas de alumínio, basicamente uma mistura das ligas 3004 (corpo 75% em peso) e 5182 (tampa 25% em peso). Os lingotes foram refundidos com a adição de 3,9% de Si. A nova liga foi desgaseificadada com adição de hexacloretano, adicionando em seguida 0,5% em peso de Al5%Ti1%B como agente refinador de grão e 0,05% de uma ante liga de Al10%Sr como agente modificador do Si. Para produzir 6 kg da nova liga foi utilizado um forno tipo de indução da marca inductotherm-100kva obtendo-se os lingotes primários conformados em uma lingoteira metálica, conforme as figuras 2(a), 2(b) e 2(c). Figura2: (a) forno utilizado nos experimentos, (b) coquilha utilizada no vazamento da liga e (c) placa obtida após a fusão. A composição química final (%-peso) da nova liga obtida está demonstrada na Tabela

5 Tabela 1. Composição química da sucata (% em peso) estimada nominal para as latas e composição química final da liga obtida após a fusão com a adição de silício. LIGA Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti %(CORPO) %(TAMPA) Res. Máx Nova liga 3, Para caracterização química foram realizadas análises no espectrômetro de emissão ótica da marca Oxford Instruments Modelo Foundry Master PRO. Os tratamentos térmicos foram realizados em um forno de retorta vertical a resistência, com o auxilio de um cadinho de aço inoxidável. O controle da temperatura foi feito por meio de um termopar tipo K. As Figuras 3a, 3b e 3c apresentam o forno, cadinho utilizado e o croqui esquemático do aparato experimental. TAMPA DE LÃ CERÂMICA TERMOPAR TIPO K FORNO A RESISTÊNCIA CADINHO DE ALUMINA UNIDADE DE CONTROLE REDE EXTERNA 120 V Figura 3. Forno de retorta vertical a resistência (a) e cadinho de alumina (b) croqui esquemático do aparato (c). 158

6 As amostras foram cortadas em pedaços e inseridas dentro do cadinho de aço através de um suporte, no forno indicado acima e submetidas a um tratamento de solubilização a 530 C por 12 horas. As amostras foram mantidas nesta temperatura por 5 horas e resfriadas bruscamente em água. Depois do congelamento da estrutura destas amostras foram reinseridas no forno com a finalidade de fazer o envelhecimento artificial nos pares de temperatura e tempo indicados anteriormente no fluxograma. Também foi retirado um grupo de amostras para analisar o envelhecimento natural. Ao término dos tratamentos térmicos, as amostras foram desbastadas por lixamento (lixas de SiC com granulometrias de 200, 320, 400, 600, 1000), seguido de polimento até 1μm e em sílica coloidal 0,4 μm, depois polimento com óxido de cromo verde e líquido DP azul e acabamento final com pasta de diamante e sílica coloidal. Em seguida foram atacadas com solução de 0,5% de HF para obter sua microestrutura revelada. Para identificar as transformações de fase da nova liga foi utilizado Módulo de Análise Térmica Diferencial (DTA) da marca Shimadzu DTA50, Figura 1(a). O aparelho é composto por dois porta amostras de alumina, conforme mostra a Figura 1 (b), em um dos cadinhos coloca-se a amostra e o outro, o de referência fica vazio. Figura 1. (a) DTA utilizado nos experimentos e (b) porta amostras de alumina. E para acompanhar a evolução da dureza brinell do conjunto de amostras foram realizados no durômetro instalado no Departamento de Metalurgia do IFES pelo menos 03 impressões em cada amostra visando uma 159

7 melhor confiabilidade dos resultados, suficientemente espaçadas, de modo a não interferirem mutuamente. 3. Resultados e discussão A partir do ensaio de dureza Brinell foi possível acompanhar a evolução dos tratamentos térmicos aplicados, bem como comparar os valores encontrados. Inicialmente, os valores de durezas associados às amostras antes dos tratamentos térmicos de envelhecimento encontram-se dispostas na tabela 2: Tabela 2: Durezas relativas às amostras antes dos tratamentos térmicos de envelhecimento LIGA Dureza (HB) Lata bruta de fusão 57 Al3,8Si bruta de fusão 69 Al3,8Si Solubilizada 89 Após o tratamento térmico de solubilização, realizado a 530 C por 12 horas observa-se que dureza sofreu um incremento de, aproximadamente, 43% devido à solubilização dos precipitados na matriz que promove o endurecimento da liga. As figuras 5(a) e 5(b) ilustram a dissolução dos precipitados e revelou a existência de alguns precipitados insolúveis como os ricos em ferro, o que era esperado devido a carga de fusão ser proviniente de reciclagem de latinhas. 160

8 Figura 5: (a) Al3,9Si Bruta de fusão, (b) Al3,9Si Solubilizada. A figura 6 apresenta o resultado encontrado para o tratamento de envelhecimento natural da nova liga estudada. A amostra submetida a este tratamento foi monitorada durante 600 horas (25 dias). Obteve-se, para este tratamento, a dureza máxima de 95HB para um tempo de 384 horas. Observase na figura 7, que o par tempo-temperatura que obteve maior dureza foi correspondente ao envelhecimento a 155 C por 5 horas, a figura 8 ilustra a singularidade da curva da análise térmica diferencial que comprova a ocorência de transformações de fases dos precipitados. Este valor evidencia que o tratamento de solubilização/ envelhecimento empregando os parâmetros anteriores se mostra extremamente eficiente fornecendo incrementos satisfatórios de dureza nas ligas a ele submetidas. O tratamento térmico realizado a 300 C apresentou o fenômeno de superenvelhecimento, evidenciado pela queda dos valores de dureza obtidos. Isso decorre do fato de que alta temperatura e longo período de tratamento favorecem a formação de precipitados com interface incoerente, promovendo o efeito de endurecimento na matriz, porém, com baixa eficiência. O tratamento de envelhecimento artificial realizado a 220 C resultou em valores intermediários de dureza com relação às temperaturas de tratamento anteriores. Foi observado um aumento discreto da dureza em função do tempo de tratamento, sendo a dureza máxima obtida igual 99HB. 161

9 Figura 6. Envelhecimento natural da liga Al-Si Figura 7. Gráfico de envelhecimento artificial da liga Al-Si para diferentes temperaturas de tratamento. 162

10 Figura 8. Curva de Análise Térmica Diferencial e Calorimetria Exploratória Diferencial. 4. CONCLUSÃO A nova liga de Al-3,9%Si obtida através da sucata de latas e adição de silício metálico pode ser tratada termicamente apresentando uma expressiva melhora nas suas propriedades mecânicas após a seqüência de tratamentos de solubilização e envelhecimento artificial. O par temperatura e tempo que se mostrou mais eficiente no endurecimento da nova liga foi 155 C e 5 horas no envelhecimento artificial, obtendo-se a dureza máxima de 121,34 HB. Estes valores são parâmetros técnicos para a referida liga na conformação do estado semi-sólido da qual está sendo pesquisado o tixoforjamento da mesma. Tempos inferiores a 0,5h devem ser estudados para a temperatura de 300 C. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Deus, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq, à Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de nível superior CAPES Edital N 0.11/ PRÓ- EQUIPAMENTOS INSTITUCIONAL, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo FAPES Termo de outorga 035/2009 e ao Programa institucional de iniciação em desenvolvimento tecnológico e inovação PIBITI IFES Vitória ES. 163

11 6. REFERÊNCIAS (1) ALVES, G. F.; ROMAGNA, E. M.; OLIVEIRA, J. R.; VIEIRA, E. A.: Caracterização microestrutural de uma nova liga reciclada de Al-Si para tixoconformação. In: XIX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, 2010, Campos do Jordão. (2) ALVES, G. F.; ANDREATTA, V.; OLIVEIRA, J. R.; VIEIRA, E. A.: Análise térmica diferencial para o desenvolvimento de uma nova liga Al-Cu para conformação no estado semi sólido. In: 65º Congresso Anual da ABM, 2010, Rio de Janeiro. (3) BROMERSCHENKEL, J., COUTINHO, P. H., DE OLIVEIRA, J.R., NASCIMENTO, VIEIRA, E.A.: Influência da velocidade de resfriamento na precipitação de Al 2 Cu em ligas de Al 4 Cu homogeneizadas. In: 18º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências dos Materiais CBECIMAT, Porto de Galinhas Pernambuco. (4) OLIVEIRA, T.F.L. OLIVEIRA, J.R. NASCIMENTO Jr.R.C. FILHO,A.I. VIEIRA, E.A.. Análise Térmica de Novas Ligas para Conformação no Estado Semi-Sólido. 64º Congresso Anual da ABM Internacional Belo Horizonte, MG. (5) CALLISTER, W.D., Ciência e Engenharia de materiais, uma introdução LTC (6) ATKINSON, H. V.: Modelling the semisolid procesing of metalic alloys. Progress in Materials Science, in press. (7) FLEMINGS, M. C.: Behaviour of metal alloys in the semisolid state, Metallurgical Transactions, 22A, (1991), (8) KIRKWOOD, D. H.: Semisolid metal processing, International Materials Review, 39, (1994), (9) VIEIRA, E. A., FERRANTE, M. Prediction of rheological behaviour and segregation susceptibility of semi-solid aluminium-silicon alloys by a simple back extrusion test. Acta Materialia, (2005),

12 SOLUBILIZATION AND AGING OF A NEW ALLOY ALUMINIUM-SILICON (Al3,9%Si) RECYCLED FOR PROCEDURES THE THIXOFORGING A. A. Reis L. P. Oliveira C. M. L. Santos E. A. Vieira estefanovieira@ifes.edu.br Federal Institute of Education, Science and Technology of Espírito Santo - IFES ABSTRACT Thixoforging is the methodology from a solid material conditioned and prepartially remelted that after a time delay is formed in an array similar to the conventional forging whose processing requires high fraction of solid. The study analyzed which the temperatures and times for solubilization and accelerated aging tests which determine the best approach to achieve the mechanical properties of higher mechanical resistance as possible to a new heat-treatable alloy obtained by the recycling process for aluminum cans with added 3 9% silicon metal. We used the evolution of hardness, microstructural analysis and more to differential thermal analysis (DTA) of samples to enable the use of this new alloy in semisolid state (ESS) key words: aluminum, thixoforming, aluminum cans, DTA, T6. 165

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