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

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1 SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA DA LIGA AA 6061 COM REFORÇO PARTICULADO DE NITRETO DE SILÍCIO E NITRETO DE ALUMÍNIO PROCESSADOS ATRAVÉS DE TÉCNICAS DE METALURGIA DO PÓ O. O. Araujo Filho - Av. Arquitetura S/N Cidade Universitária CEP: oscaroaf98@hotmail.com M. M. Sampaio de Sousa E. R. de Araújo S. J. Ferreira Alves L. G. T. C. de Melo C. H. Gonzalez RESUMO O presente trabalho trata da fabricação de compósitos de liga de alumínio AA6061, utilizando reforço particulado de nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de alumínio (AlN), através de técnicas de metalurgia do pó (MP). A técnica de moagem de alta energia se mostrou eficaz na fabricação desses compósitos com matriz metálica proporcionando redução do tamanho de partícula e distribuição uniforme da fase reforço na matriz dúctil de alumínio AA6061. Palavras-chave: Metalurgia do pó (MP), ligas de alumínio, compósitos de matriz metálica, liga AA6061, nitreto de silício e nitreto de alumínio. 2034

2 INTRODUÇÃO Muitas aplicações tecnológicas exigem materiais com combinações de propriedades que não são encontradas em materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos. Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se um material já existente, através da incorporação de outro componente. Sendo assim, para a fabricação de materiais compósitos é necessário combinar as propriedades mecânicas de dois ou mais componentes a fim obter um novo material capaz de apresentar propriedades melhoradas (1). Hoje os compósitos são produzidos por combinação de materiais com diferentes características físico-químicas e mecânicas e pela utilização de diferentes processos de manufatura. As propriedades mecânicas dos materiais compósitos fazem com que eles sejam empregados em diversos segmentos e atividades que utilizam produtos metalúrgicos (2). A técnica de Metalurgia do Pó, usando moagem de alta energia e compactação uniaxial a frio, seguida de sinterização, pode proporcionar resultados satisfatórios na fabricação de matriz metálica de alumínio AA6061, reforçado com Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ) e Nitreto de alumínio (AlN) (3,4). Neste trabalho de pesquisa preparou-se compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA6061, com a incorporação de reforços particulados de Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ) e Nitreto de Alumínio (AlN) na fração mássica de 5, 10 e 15% em peso de cada reforço através de uma técnica de moagem de alta energia (MAE) utilizando-se um moinho vibratório do tipo SPEX, seguido de compactação uniaxial a frio e sinterização a vácuo MATERIAIS E MÉTODOS O fluxograma da figura 1 apresenta o procedimento experimental utilizado no presente trabalho de pesquisa. 2035

3 Pó elementar (comercial) de AA6061 Pó elementar (comercial) de Si 3 N 4 ; 325mesh (45µ) Pó elementar (comercial) de AlN; abaixo de 10µ PCA (Ac. esteárico 95%) Ponto fusão = o C Moagem de alta energia (MAE); moinho SPEX; 720rpm; 30 e 60min Compactação uniaxial a frio do pó; Carga = 40ton; pressão = 7,0 ton/cm 2 Caracterização dos pós elementares e processados (MEV/EDS; DRX e DL) Densidade do compactado do verde Sinterização a vácuo (- 680mmHg); 500ºC/5horas, resfriamento lento de 48horas Preparação metalográfica (corte, embutimento, lixamento, polimento, limpeza ultrassônica e ataque químico) Caracterização do sinterizado (MO;MEV/EDS;DRX;DENSIDADE). Determinação da Dureza Vickers Fig. 1 Fluxograma com o procedimento experimental utilizado. RESULTADOS E DISCUSSÃO As figuras 1 e 2 apresentam a morfologia e o espectro de difração de DRX dos 2036

4 pós da liga AA6061. Fig. 1 Imagem de MEV dos pós da liga AA6061 Fig. 2 Espectro de difração de raios-x da liga AA6061 Fig. 3 Imagem de MEV dos pós da fase cerâmica de reforço Si 3 N 4 Fig. 4 Imagem de MEV dos pós da fase cerâmica de reforço AlN Fig. 5 AA % de Si 3 N 4 Fig. 6 AA % de AlN processada durante 60 minutos. processada durante 60 minutos. As figuras 3 e 4 apresentam imagens de MEV dos pós das fases cerâmicas particuladas de reforço nitreto de silício e nitreto de alumínio. As figuras 5 e

5 apresentam imagens de MEV dos pós compósitos da liga de alumínio AA6061 reforçadas com 15% de nitreto de silício e nitreto de alumínio processadas por moagem de alta num moinho vibratório SPEX durante 60 minutos. Esse procedimento ensejou uma melhor incorporação das fases de reforço na matriz dúctil da liga de alumínio bem como uma redução do tamanho de partícula quando comparados com o tempo de moagem de 30 minutos (Figuras 7 e 8) (3). Fig. 7 Tamanho de partícula dos pós compósitos da liga de alumínio AA Si 3 N 4 Fig. 8 Tamanho de partícula dos pós compósitos da liga de alumínio AA AlN Fig 9 - Micrografia de MO do sinterizado da liga AA % de Si 3 N 4 Fig.10- Micrografia de MO do sinterizado da liga AA % de AlN 2038

6 As figuras 9 e 10 apresentam micrografia de MO dos compósitos sinterizados da liga de alumínio AA6061 reforçadas com nitreto de silício e nitreto de alumínio. Observa-se uma microestrutura com lamelas devido a deformação imposta pela moagem de alta energia (5). As figuras 11 e 12 apresentam imagens de MEV dos referidos compósitos observando-se uma boa densificação e uniforme e homogênea distribuição das fases de reforço. Fig 11 Imagem de MEV do sinterizado da liga AA % de Si 3 N 4 Fig. 12 Imagem de MEV do sinterizado da liga AA % de AlN Fig. 13 Dureza Vickers dos sinterizados dos compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA6061 com reforços particulados cerâmicos de nitreto de silício e nitreto de alumínio. 2039

7 Os resultados de dureza apresentaram-se linearmente crescentes com o aumento da fração de reforço na matriz (Figura 13). CONCLUSÕES A Metalurgia do Pó utilizando moagem de alta energia, compactação uniaxial a frio e sinterização a vácuo, propiciou eficiente fabricação de compósito de matriz metálica da liga de alumínio AA6061 com reforço particulado de 5, 10 e 15% em massa de Si 3 N 4 e AlN; O tempo de moagem de 30 minutos foi insuficiente para que os reforços fossem reduzidos a um tamanho adequado para promover uma eficiente incorporação no componente matriz; portanto para fabricação do sinterizado foi utilizado apenas o compactado verde processado com tempo de 60min. Este tempo, proporcionou ao pó processdo por MAE, homogeneidade e uniformidade na distribuição dos reforços na matriz; Os resultados obtidos no MEV/EDS evidenciaram que, em relação ao compósito reforçado com nitreto de silício e nitreto alumínio, o pó processado por MAE com 60min e com fração em massa de 15%, apresentou melhor refinamento e maior grau de incorporação do reforço na matriz; As imagens do MEV nos sinterizados mostram uma eficiente inserção e distribuição das fases dos reforços na matriz, sem aglomeração, indicando boa solubilidade daqueles nesta e tão mais visíveis quanto maior é percentual do reforço no compósito sinterizado; mostram também a formação de estruturas lamelares; Os resultados de dureza sinalizam para uma maior eficiência do reforço de nitreto de silício relativamente ao nitreto de alumínio. Os resultados de dureza apresentaram-se linearmente crescentes com o aumento da fração de reforço na matriz; destacando o efeito positivo da técnica de Metalurgia do Pó utilizando MAE na produção do referido compósito; Tomando como ponto de partida a dureza da liga de AA6061 sinterizada sem reforço que foi de 41,101Kgf/mm 2, observou-se que o compósito reforçado com 15% de Si 3 N 4 apresentou o maior valor absoluto de dureza (107,560Kgf/mm 2 ) proporcionando um ganho de 161,69% nessa propriedade mecânica. 2040

8 REFERÊNCIAS 1. CHAWLA, K. K. Ceramic Matrix Composites - London, Chapman & Hall, CLYNE, T. W., WITHERS, P. J. An Introduction to Metal Matrix Composites. Cambridge University Press, Cambridge, FOGAGNOLO, J.B. et al. Al reinforced with silicon nitride particles processed by mechanical milling. Scripta Materialia, 47: , IERVOLINO F, BULLA L, A Metalurgia do Pó, Alternativa Econômica com Menor Impacto Ambiental,São Paulo, Metallun Eventos Técnicos, SURYANARAYANA. c. In: powder metal technologies and applications. ASM Handbook, vol. 7.materials park, oh: ASM International, P , SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF AA6061 ALUMINUM ALLOY REINFORCED BY SILICON NITRIDE AND ALUMINUM NITRIDE PROCESSED THROUGH POWDER METALLURGY TECHNIQUES ABSTRACT This paper deals with the manufacturing of aluminum alloy AA6061 composites using particulate reinforce of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and aluminum nitride (AlN), through powder metallurgy techniques. The results show that strengthening of silicon nitride is more efficient in relation to the reinforcement of aluminum nitride during the milling process, contributing to reduction of the particle size of the powders and the increase of mechanical properties of hardness in the sintered composite. The technique of high energy ball milling is effective in the production of metal matrix composites of AA6061 aluminum alloy reinforced with particulate silicon nitride and aluminum nitride, resulting in a reduction of particle size and uniform distribution of reinforcing phase in the ductile matrix of AA6061 aluminum alloy. Key-words: Powder metallurgy (PM), aluminum alloys, metal matrix composites, AA6061 alloy, silicon nitride and aluminum nitride. 2041