Corrosão Intergranular em Ligas de Fundição AlSiMg Influência dos Elementos Residuais e do Acabamento Superficial

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1 ISSN Revista Matéria, v. 9, n. 4, pp , Corrosão Intergranular em Ligas de Fundição AlSiMg Influência dos Elementos Residuais e do Acabamento Superficial RESUMO Verran, G. O., Rossi, V. L., Verri A. A., Pescador, W. A. Universidade do Estado de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica Campus Universitário s/n CEP Bom Retiro- Joinville SC Brasil gverran@joinville.udesc.br, vilmar@schneider.ind.br, mecanicaudesc@ig.com.br, wapescador@yahoo.com.br A ocorrência de corrosão severa em rotores de motobombas motivou a realização de um estudo que envolveu a avaliação da influência da qualidade das matérias primas e das condições de processamento sobre a suscetibilidade à corrosão na liga utilizada para obtenção destas peças por processo de fundição, no caso a liga com denominação comercial 356 (Al7Si0,3Mg). O principal parâmetro de avaliação foi a composição química, com especial ênfase nos teores dos elementos cobre e zinco presentes em percentuais que caracterizam estes elementos como impurezas. Foram avaliadas as influências individuais e combinadas de teores crescentes dos elementos cobre e zinco sobre a resistência a corrosão da liga A356, uma variante da liga 356 com níveis de impurezas mais baixos, medida através de ensaios de corrosão intergranular realizados de acordo com as especificações contidas nas normas ASTM G e ASTM G A avaliação dos resultados foi feita com base em medidas da perda em massa e da profundidade de corrosão usando metalografia ótica quantitativa. Os resultados obtidos indicam que pequenos incrementos nos percentuais de cobre ocasionam aumentos significativos na tendência à corrosão da liga em questão, sendo que em alguns casos estes teores estão abaixo dos valores normalmente presentes na grande maioria das ligas comerciais utilizadas nas indústrias de fundição de alumínio. Palavras chaves: Ligas de alumínio, fundição, corrosão, corrosão intergranular. Intergranular Corrosion of AlSiMg Casting Alloys Influence of Residual Elements and Surface Finish ABSTRACT The existence of severe corrosion in water pumps has motivated a study aiming at assessing the influence of the raw material quality and of the process controls over the corrosion resistance of the alloy used to cast the components, in this case a commercial Aluminium alloy 356 (Al7Si0, 3Mg). The main assessing parameter was the chemical composition, with special emphasis on the quantity of copper and zinc at residual levels. It was evaluated individual and combined influences of increasing quantities of copper and zinc over the corrosion resistance of A356 alloy, a variant of 356 alloy with lower level of impurities. The corrosion resistance was measured by intergranular corrosion tests performed according to ASTM G and ASTM G The results were evaluated by mass loss and the corrosion depth by qualitative optical metallography. The results indicate that even small percentage increments of copper causes significant increase of the corrosion tendency of the corresponding alloy; even though such amounts were smaller then those usually present in the majority of the commercial alloys used in the aluminium casting industry. Keywords: Aluminium alloys, casting, corrosion, intergranular corrosion. 1 INTRODUÇÃO Os processos de fundição de ligas leves vêm conquistando cada vez mais espaço no segmento industrial, porém o domínio das técnicas de fundição e de projetos não acompanhou esta evolução, fazendo com que, na maioria das vezes o projeto e a fabricação de peças fundidas passem por novas avaliações e definições visando adequações aos requisitos dos produtos. Na fundição de peças em ligas de alumínio, além dos problemas inerentes ao processo de fabricação, existe a necessidade de análises criteriosas de como o processo pode influenciar no desempenho e na durabilidade dos produtos obtidos. Apesar da elevado nível de desenvolvimento do estado da arte e do razoável conhecimento científico e tecnológico dos fenômenos e Autor Responsável: Verran, G. O.

2 mecanismos de corrosão em ligas de alumínio, em algumas situações, como no caso do presente estudo, existe uma grande combinação de fatores das mais diferentes origens que podem contribuir para a degradação das liga de alumínio fundidas. A revisão bibliográfica realizada que mostrou certa escassez de artigos que tratam especificamente da corrosão neste tipo de ligas [1-4]. A corrosão intergranular acontece quando existe um caminho preferencial para a corrosão na região dos contornos de grão. Observando-se que os grãos vão sendo destacados à medida que a corrosão se propaga. O principal fator responsável pela diferença na resistência à corrosão da matriz (material no meio do grão) e do material vizinho ao contorno é a diferença que apresentam na composição química nestes locais. Deste modo, mesmo que a alteração na composição química não seja suficiente para eliminar totalmente a capacidade de formação da camada passiva, verifica-se que existe uma corrente de corrosão devido à diferença de potencial ocasionada pelas características diferentes dos materiais [5-6]. No caso da corrosão intergranular em ligas de alumínio com a presença de cobre, os precipitados de CuAl2 são mais nobres que a matriz, aparentemente agindo como catodos e acelerando a corrosão da região vizinha ao contorno de grão, empobrecida em cobre. Eliminando-se os precipitados, elimina-se a causa da corrosão intergranular [7-8]. Este trabalho descreve uma pesquisa realizada no Labfund - Laboratório de Fundição do DEM/CCT/UDESC que investigou a ocorrência de corrosão severa em rotores de motobombas, através de um estudo metalúrgico que envolveu a análise dos requisitos necessários ao produto, as principais características das ligas de alumínio e os procedimentos de fundição utilizados na fabricação destes rotores, bem como os possíveis mecanismos de corrosão em função da presença de elementos na forma de impurezas na liga base utilizada, no caso a liga Al7Si0,3Mg. 2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL Para avaliar o problema de corrosão destes componentes (rotores de motobombas), foi feito um levantamento do processo de fundição junto à indústria e realizado um breve inventário sobre o processo e as matérias primas utilizadas. Em virtude das inúmeras possibilidades de origem para este problema específico, tomou-se como primeiro parâmetro de avaliação, a caracterização de um processo de fundição e a utilização de uma liga de alumínio que reunisse as melhores características para a aplicação. Após uma abordagem do problema foi possível efetuar uma avaliação detalhada de todo o processo de fabricação, possibilitando então, estipular algumas variáveis que deveriam ser agora estudadas em laboratório. Para estabelecer os mecanismos responsáveis pelo processo corrosivo, efetuou-se uma avaliação detalhada da composição química e da estrutura metalográfica dos componentes que haviam apresentado corrosão em serviço. Na avaliação metalográfica constatou-se que as peças apresentavam desgaste bastante acentuado, e que o processo de corrosão era predominantemente intergranular com ataque superficial generalizado. A avaliação da composição química revelou que os teores de elementos residuais considerados prejudiciais para esta liga estavam um pouco elevados em comparação com a matéria prima original. A tabela 1 apresenta composições químicas de algumas peças fundidas na indústria. Tabela 1: Composições químicas de peças fundidas na indústria Peça Si Mg Fe Cu Mn Zn Ni Ti Pb Al Peça 01 7,13 0,26 0,57 0,25 0,19 0,20 0,01 0,04 0,03 Balanço Peça 02 6,70 0,27 0,45 0,19 0,15 0,11 0,01 0,04 0,02 Balanço Peça 03 6,72 0,28 0,37 0,09 0,35 0,05 0,01 0,04 0,02 Balanço Esta avaliação possibilitou verificar que o processo de corrosão provavelmente não tinha uma relação direta com os processos de fundição e usinagem, mas sim com a composição química da liga, indicando que a especificação da liga, segundo estas normas, poderia não atender aos requisitos desta aplicação. A partir desta constatação decidiu-se então avaliar as influências dos elementos residuais cobre e zinco na resistência a corrosão da referida liga. Estes elementos, especialmente o cobre são citados na literatura como prejudiciais sob o ponto de vista de resistência à corrosão em ligas de alumínio. Optou-se então pela formulação de um programa experimental no qual a única variável foi a composição química da liga, tomando se como padrões de comparação as ligas comerciais A356 e 356 com baixos teores de elementos residuais (tabela 2). Tabela 2: Composições químicas das ligas A356 e 356 utilizadas neste trabalho. Liga Si Mg Fe Cu Mn Zn Ni Ti Pb Al 335

3 ,59 0,28 0,41 0,07 0,30 0,05 <0,001 0,07 0,02 Balanço A356 6,57 0,28 0,21 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,001 0,04 < 0,01 Balanço Como corpo de prova padrão utilizou-se uma bolacha fundida em coquilha por gravidade, comumente utilizada para verificar a composição química. A referida bolacha possui diâmetro de 50 mm e espessura de 5 mm, com peso de aproximadamente 30 g e o peso total (bolacha+massalote) de aproximadamente 140 g. Em todas as corridas realizadas foram fundidos 08 corpos de prova. A tabela 3 apresenta o programa de corridas experimentais utilizado neste trabalho As corridas foram realizadas em um forno elétrico à indução usando cadinho de carboneto de silício com capacidade de carga para aproximadamente 1200 g da referida liga. Para homogeneização dos elementos adicionados (Cu e Zn) a carga permaneceu 20 a 30 minutos em temperaturas da ordem de 780ºC ±10ºC, sendo a carga protegida da absorção de gases através de uma cobertura com fluxo escorificante. Após o metal ter sido devidamente, desgaseificado e escorificado, foi então vazado em temperaturas da ordem de 700ºC ±10ºC na coquilha. Em todas as corridas foram retiradas amostras para análises químicas via Espectroscopia de Emissão Ótica. A temperatura foi controlada com termopar por imersão tipo K, com precisão de ± 10C. Após a fundição dos corpos de prova, estes foram preparados seguindo um critério de usinagem padronizado, possibilitando manter um acabamento superficial semelhante e a mesma área usinada em todos os corpos de prova, de modo a possibilitar uma comparação entre os danos causados na superfície usinada e na superfície bruta de fundição. As amostras, após a devida preparação, foram submetidas aos ensaios de corrosão padronizados pelas normas ASTM G [9] e ASTM G1-90 [10]. Com o ensaio ASTM G foi possível obter uma medida da extensão da corrosão através da avaliação quantitativa da perda em peso e da profundidade de corrosão observada usando microscopia ótica. As amostras para microscopia foram preparadas usando técnicas convencionais de preparação e observadas via microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Tabela 3: Programa de corridas experimentais. Série 1 - Avaliação das ligas bases A356.1 e e sucata. Liga Identificação % Cu % Zn % (Cu + Zn) M3 0,07 0,05 0,12 A356.1 A1b < 0,01 < 0,01 < 0, Sucata 0,17 0,08 0,25 Série 2 - Adições de Cobre e de Zinco na liga base A356.1 Liga Base Identificação % Cu Adicionado % Zn Adicionado % (Cu + Zn)Adicionado A356.1 A2b 0,07 0,07 0,14 A356.1 A3b 0,11 0,10 0,21 A356.1 A4b 0,27 0,36 0,63 A356.1 A5b 0,53 0,72 1,25 Série 3 - Adições de Cobre na liga base A Liga Base Identificação % Cu Adicionado % Zn Adicionado A356.1 A2c 0,07 liga A356.1 A3c 0,11 liga A356.1 A4c 0,21 liga A356.1 A5c 0,51 liga A356.1 A6c 1,02 liga Série 4- Adições de Zinco na liga base A356.1 Liga Base Identificação % Cu Adicionado % Zn Adicionado A356.1 A9z liga 0,35 A356.1 A10z liga 0,70 A356.1 A11z liga 1,00 336

4 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados dos ensaios de corrosão foram avaliados com base na perda em massa e na medição da profundidade de corrosão. A perda em massa foi determinada usando a diferença entre as massas dos corpos de prova antes e após a realização dos ensaios de corrosão (ASTM G110-92) e remoção dos produtos de corrosão (ASTM G1-90). Foram ensaiadas cinco amostras para cada condição experimental apresentada na tabela 3. Os resultados de perda em massa obtidos nas diferentes séries de corridas experimentais realizadas são apresentados na tabela 4. Os dados apresentados na tabela 4 indicam que para as ligas de referência pequenos acréscimos nos teores de Cu e Zn provocaram acréscimos significativos nos valores de perda em massa. A liga mais pura (A356.1) teve uma pequena perda em massa (0,26%), enquanto que a liga teve um valor de perda em massa quase três vezes maior (0,73%) e a amostra considerada sucata (0,17%Cu e 0,08%Zn) teve 1,09% de perda em massa, confirmando a hipótese inicial de que estas impurezas têm um efeito bastante acentuado na suscetibilidade à corrosão nestas ligas. Nas outras séries experimentais pode-se observar que incrementos combinados ou individuais dos elementos cobre e zinco, de uma forma geral tendem a reduzir a resistência à corrosão da liga A Os gráficos das figuras 1,2 e 3 permitem uma melhor visualização dos efeitos do Cu e do Zn como impurezas sobre a perda em massa na liga A356. Tabela 4: Valores de perda em massa em função de variações na composição química da liga A356. % Cu Medido % Zn Medido % (Cu+Zn) Medido Perda em Massa Média (%) Desvio Padrão (%) < 0,01 < 0,01 < 0,02 0,27 0,03 Série 1: Ligas 0,07 0,05 0,12 0,73 0,04 0,17 0,08 0,.25 1,09 0,08 % Cu Medido % Zn Medido % (Cu + Zn) Perda em Massa Média (%) Desvio Padrão (%) 0,03 0,07 0,10 0,88 0,08 Série 2: Cu + Zn 0,10 0,10 0,20 1,36 0,11 0,19 0,33 0,52 1,46 0,09 0,46 0,65 1,11 1,89 0,06 % Cu Medido % Zn Medido % (Cu + Zn) Perda em Massa Média (%) Desvio Padrão (%) 0,03 0,01 0,04 0,73 0,04 Série 3 :Adições de Cu 0,09 0,01 0,10 1,12 0,07 0,20 0,01 0,21 1,21 0,07 0,50 0,01 0,51 1,43 0,07 1,00 0,01 1,01 1,81 0,09 % Cu Medido % Zn Medido % (Cu + Zn) Perda em Massa Média (%) Desvio Padrão (%) Série 4: Adições de Zn 0,01 0,30 0,31 0,26 0,03 0,01 0,63 0,64 0,38 0,04 0,01 0,89 0,90 0,49 0,04 337

5 Figura 1: Variação da perda em massa em função do aumento nos teores de Cu e Zn Figura 2: Variações da perda em massa em função dos teores de Cu (a) e de Zn (b). O gráfico da figura 1 mostra que a perda em massa apresenta uma relação direta com os teores de Cu+Zn adicionados à liga base (A356), indicando uma maior suscetibilidade à ocorrência de corrosão intergranular à medida que os percentuais destes elementos são incrementados, sendo que para teores de Cu+Zn acima de 0,02% ocorreram acréscimos consideráveis na perda em massa e que para maiores teores de impurezas este efeito de acréscimo na corrosão se tornou menos acentuado. Os gráficos da figura 2 ilustram o comportamento da perda em massa em função de aumentos nos teores de elemento Cu (figura 02.a) e Zn (figura 02.b) adicionados à liga A356. A análise destes gráficos mostra que para os acréscimos nos teores de Cu (figura 02.a) ocorreu um comportamento muito semelhante ao gráfico da figura 01, ou seja, um crescimento significativo na perda em massa para pequenos incrementos nos teores de Cu adicionados a liga base. A figura 02.b mostra que a variação na perda em massa em função de aumentos nos teores de Zn adicionado foi menor em comparação com o cobre, indicando um efeito bem menor sobre a resistência a corrosão da liga base. Os resultados apresentados sugerem que o elemento cobre é o principal responsável pela ocorrência de corrosão intergranular na liga em estudo e que a corrosão se torna mais severa para teores de cobre muito baixos, aproximadamente 0,03 % em peso de cobre na liga. Este resultado confirma a hipótese inicial de que a liga utilizada anteriormente para a produção de peça em questão, a liga 356 com aproximadamente 0,07% em cobre, apresentava uma alta suscetibilidade à corrosão, e que no caso específico desta peça a utilização de liga A356 se torna obrigatória para reduzir a ocorrência deste tipo de corrosão. Também cabe salientar que o teor de cobre a partir do qual a tendência à corrosão sofre um aumento 338

6 significativo está muito abaixo dos teores máximos de cobre admissíveis para estas ligas, 0,20% no caso da liga A356 e 0,25% para a liga 356. O gráfico da Figura 03 ajuda a ilustrar esta afirmação. Figura 3: Variação da corrosão em função do teor de Cu e percentuais de Cu típicos para as ligas A356 e 356. A quantificação da profundidade de corrosão foi feita mediante o uso de um sistema de análise de imagens, sendo registradas nove imagens ao longo das superfícies usinada e bruta de fusão de cada uma das amostras analisadas e medida a maior profundidade em cada foto. As medidas foram feitas usando o mesmo procedimento: uso de linha base na superfície da amostra seguida de medição da mesma no ponto de maior profundidade mantendo o perpendicularismo, como é exemplificado nas figuras 04.a (imagem captada) e 04.b (medição). Figura 4: Método para medição da profundidade de corrosão, (a) imagem da amostra com aumento de 100x (b) medição indicando o valor medido. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 5 e na figura

7 Tabela 5: Valores médios de profundidade de corrosão em diferentes amostras analisadas Amostra /Número da foto Média A356.1 Usinada A356.1 Bruta de Fusão Usinada Bruta de Fusão A356.1(0,19Cu-0,33Zn) Usinada A356.1(0,19Cu-0,33Zn) Bruta de Fusão A356.1(0,46Cu-0,65Zn) Usinada A356.1(0,46Cu-0,65Zn) Bruta de Fusão Figura 5: Valores de profundidade de corrosão para diferentes composições químicas estudadas, (a) fase usinada e (b) face bruta de fusão. Os gráficos da figura 05 estão em concordância com os valores de perda em massa apresentados anteriormente na figura 01, indicando a ocorrência de corrosão mais severa para maiores percentuais de Cu e Zn presentes na liga base, também se pode observar maiores valores de corrosão na amostra da liga 356 em comparação com a A356, este fato pode ser atribuído principalmente à maior quantidade de cobre na liga 356 (0,07% Cu), conforme observação anterior das figuras 01 e 02. Com relação ao aspecto superficial das amostras analisadas pode-se observar uma maior coerência nos valores de profundidade de corrosão medidos nas amostras usinadas e variações muito grandes nas medições realizadas nas superfícies brutas de fusão. Destaca-se aqui o ocorrido com a face bruta de fusão da liga A356, onde se observa uma profundidade de corrosão excessiva em alguns dos pontos analisados, sugerindo a existência de defeitos superficiais que provavelmente atuaram com nucleantes da corrosão nesta amostra e contribuíram para um incremento do valor médio calculado. Estas observações permitem afirmar que o acabamento superficial da amostra tem uma influência significativa na ocorrência de corrosão intergranular em ligas de fundição e que o processo também pode atuar no sentido de aumentar ou reduzir a suscetibilidade à corrosão em função da obtenção de superfícies com melhores ou piores acabamentos superficiais. As figuras 06 e 07 apresentam micrografias de amostras submetidas ao ensaio de corrosão intergranular, mostrando diferentes profundidades de corrosão para as mesmas amostras analisadas via microscopia quantitativa, observa-se claramente que a tendência a corrosão aumenta a medida que o teor de cobre na liga é maior, tanto para as ligas de referência (figura 06), como para incrementos nos teores de cobre e zinco (figura 07). 340

8 Figura 6: Micrografias de amostras das ligas 356 e A356 mostrando diferentes intensidades de corrosão. Figura 7: Micrografias de amostras com diferentes teores de Cu e Zn evidenciando as variações na severidade de corrosão. As imagens obtidas usando MEV são apresentadas na figura 08, para uma amostra de peça com problema de corrosão (figuras 08.a e 08b) e para uma amostra submetida ao ensaio de corrosão intergranular (figuras 08c e 08.d), onde se pode observar a ocorrência de corrosão intergranular evidenciada pela retirada de material nos contornos dos grãos da fase rica em alumínio (solução sólida). Esta observação confirma que o mecanismo de corrosão intergranular é o principal fator responsável pela ocorrência de corrosão severa nas ligas 356 e A356 com teores de cobre acima de 0,01%. 341

9 Figura 8: Corrosão intergranular observada via MEV em peça corroída (a e b), e em amostra submetida ao ensaio de corrosão intergranular de acordo com a norma ASTM G (c e d). Outra publicação [11] apresenta uma abordagem mais detalhada sobre os resultados obtidos nesta pesquisa. 4 CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho permitiram as seguintes conclusões: a resistência à corrosão das ligas A356 e 356 é fortemente afetada pela presença do cobre como elemento residual, observando-se a ocorrência de corrosão severa para pequenos teores deste elemento (maior que 0,01%), usando com meio de avaliação o ensaio de corrosão intergranular proposto pela norma ASTM G110-92, acréscimos nos teores do elemento zinco ocasionaram menores efeitos sobre a suscetibilidade a corrosão da liga A356 em comparação com os efeitos do elemento cobre, os teores de cobre a partir dos quais ocorrem aumentos significativos na corrosão das ligas A356 e 356 são muito inferiores aos teores máximos admitidos pelas normas internacionais de especificação das duas ligas, o acabamento superficial das amostras interferiu de forma significativa na tendência a corrosão intergranular, o ensaio de corrosão intergranular se mostrou efetivo na caracterização da resistência à corrosão nas ligas estudadas. 5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Indústria Schneider pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa e aos Programas Pibic/Cnpq e Probic/Udesc pelas bolsas concedidas. 342

10 6 REFERÊNCIAS [1] GALVELE, J.R., MICHELI, S.M., Mechanism of Intergranular Corrosion of Al-Cu Alloys, Corros. Sci., v.10, p , [2] ZAMIN, M., The role of Mn in the Corrosion Behavior of Al-Mn Alloys, Corrosion, v.37, p627-34, [3] CARROLL, M.C., GOUMA, P.I., DAEHN, G.S., MILLS, M.J., Effects of minor Cu additions on a Znmodified Al-5083 alloy, Materials Science and Engineering, A , p , [4] MONDOLFO, L.F., Aluminium Alloys: Structures and Properties, Butterworths, [5] GENTIL, V., Corrosão, 3a Ed., Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos Editora, [6] ABRACO Website Associação Brasileira de Corrosão, Corrosão, acesso em [7] ASM INTERNACTIONAL, ASM Specialty Handbook: Aluminum And Aluminum Alloys, ASM, [8] GEMELLI, Enori, Corrosão de Materiais Metálicos e sua Caracterização, Rio de Janeiro, Editora LTC, [9] ASTM G Standard Practice for Evaluating Intergranular Corrosion Resistance of Heat Treatable Aluminium Alloys by Immersion in Sodium Chloride + Hidrogen Peroxide Solution, Annual Book of ASTM Standards, [10] ASTM G1-94 Standard Practice for Claening, and Evaluation Corrosion Test Specimens, Annual Book of ASTM Standards, [11] ROSSI, V.L., Influência da composição química e dos parâmetros de processo sobre a resistência à corrosão em peças fundidas usando as liga 356 e A356, 2004, 95 páginas. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais) - PGCEM/UDESC,