EFEITO DO CHUMBO NO PROCESSAMENTO MECÂNICO A QUENTE DA LIGA DE ALUMÍNIO AA3104 RESUMO

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1 EFEITO DO CHUMBO NO PROCESSAMENTO MECÂNICO A QUENTE DA LIGA DE ALUMÍNIO AA3104 W. de Carvalho 1, A. Zangrandi 2 Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Bairro Pedregulho, Guaratinguetá/SP, CEP: aelcio@feg.unesp.br 1 Alcan Alumínio do Brasil Ltda., 2 Unesp Câmpus de Guaratinguetá, Dep. de Materiais e Tecnologia RESUMO A liga de alumínio AA3104 sofre deformações plásticas severas durante o processo de fabricação do corpo das latas de bebidas. Atualmente, com o aumento dos índices de reciclagem no Brasil, cerca de 40% da carga do forno de refusão é constituída de sucata de latas, o que aumenta a preocupação com a qualidade da liga. O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito do chumbo, um contaminante comum encontrado na sucata de latas em alumínio, sobre o processo de laminação a quente da liga AA3104. Amostras com 30, 60, 160 e 190 ppm de chumbo não homogeneizadas e amostras com 30, 140, 200 e 240 ppm de chumbo homogeneizadas a 590ºC por 5h foram laminadas a quente a 480ºC em cinco passes. Análises feitas nas amostras homogeneizadas, com auxílio de MEV, mostraram um aumento do tamanho das partículas de segunda fase com o aumento do teor de chumbo e evidenciaram a presença do chumbo segregado somente nestas partículas. Nas amostras não homogeneizadas verificou-se a presença de chumbo segregado em partículas de segunda fase e em contornos de grão. As partículas contendo chumbo descolam-se da matriz durante a laminação a quente, causando rachaduras profundas nas bordas das tiras. Palavras-Chaves: Liga de alumínio, Latas de bebidas, Chumbo, Laminação a quente INTRODUÇÃO A reciclagem de latas de alumínio no Brasil teve início com a Latasa S. A. em 1991 (1), a primeira fabricante nacional de latas para bebidas no país. A Alcan Alumínio do Brasil Ltda entrou no mercado de reciclagem de latinhas de alumínio no final de 1994 (1). O índice de reciclagem, definido pela relação entre o número de latas recicladas e o número de latas colocadas no mercado, evoluiu de cerca de 37% em 1991 para cerca de 85% em 2001 (2). O índice brasileiro de reciclagem de latas de alumínio supera países industrializados como a Inglaterra, Alemanha e Estados Unidos (3). Em geral, juntamente com a sucata de latas coletadas são encontrados materiais orgânicos, plásticos, vidros, terra, areia, pedra, metais ferrosos e não ferrosos misturados com as latas. O chumbo, ferro, zinco, cobre e estanho são os metais comumente mais encontrados e indesejáveis na composição da liga AA3104 (1 ). A liga de alumínio AA3104 usada na fabricação das latas de alumínio é submetida a deformações plásticas severas durante o processo de estampagem profunda para conformação do corpo das latas, e a eficiência do processo depende da conformabilidade da liga. Materiais que não sejam o alumínio, misturados na sucata de latas, durante a fase de coleta, geram problemas sérios do tipo contaminação do lingote fundido, que pode resultar na rejeição do lote, baixa qualidade do produto, aumento das perdas durante o processo de laminação, redução das propriedades mecânicas e da conformabilidade da liga. 3150

2 Este trabalho tem como objetivo estudar os efeitos do chumbo, com índices variando de 30 a 240ppm, sobre o processo de laminação a quente e sobre as propriedades mecânicas de tração da liga de alumínio AA3104, utilizada na fabricação de latas para bebidas. MATERIAIS E MÉTODOS (3) Preparação da Liga Foram preparadas oito placas da liga AA3104, de aproximadamente 25x 170x220 mm 3, pelo processo de solidificação em coquilha, a partir do metal líquido retirado da linha de produção da Alcan Alumínio do Brasil Ltda de Pindamonhangaba, SP. As placas foram contaminadas com os seguintes teores de chumbo: duas com 30ppm e as demais com 60, 140, 160, 190, 200 e 240ppm. O metal líquido foi retirado da calha, que leva o metal do forno ao processo de solidificação "Direct Chill", durante o processo industrial de vazamento da liga AA3104, após ter passado pelo processo de filtragem, para garantir amostras com baixos níveis de inclusões. Cada porção de metal líq uido extraída da calha foi transferida para um cadinho a 800 o C, onde se adicionou o chumbo com 99,8% de pureza, seguido do vazamento na coquilha. Foi feita análise química de todas as placas, utilizando-se um Espectômetro de Emissão Óptica ARL Homogeneização das placas As placas com 30, 140, 200 e 240ppm de chumbo foram homogeneizadas a 590 o C, durante cinco horas, em uma mufla, seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. A temperatura e os tempos de homogeneização foram definidos com base no processamento térmico industrial da liga AA3104 utilizado pela Alcan. As placas com 30, 60, 160 e 190ppm não foram homogeneizadas. Usinagem das Placas Todas as placas (homogeneizadas e não homogeneizadas) foram usinadas no laboratório de usinagem do DMT Departamento de Materiais e Tecnologia, na UNESP Câmpus de Guaratinguetá-SP, para eliminar as irregularidades da superfície bruta de fusão, obter paralelismo entre as faces e padronizar as dimensões das placas, principalmente, a espessura. As laterais ao longo do maior comprimento das placas foram arredondadas, com raio em torno de 125 mm, com o objetivo de reduzir o efeito da concentração de tensões devido a existência de cantos vivos, o que possibilitaria a nucleação de trincas durante o processo de laminação a quente. As placas após a usinagem ficaram com as seguintes dimensões: 170x140x22 mm 3. Laminação a Quente das Placas e Recozimento das Tiras Laminadas A laminação a quente das placas foi realizada no DEMAR Departamento de Engenharia de Materiais da FAENQUIL (Lorena, SP), utilizando um laminador FENN ½"x12"x15". Utilizouse um forno com temperatura máxima de operação 1200ºC para o aquecimento das placas. O processo de laminação a quente foi realizado a uma temperatura de 480 o C e, após cada passe, num total de cinco, com redução de aproximadamente 30% por passe, as placas retornavam ao forno, para serem reaquecidas à temperatura de laminação. Todos os passes foram realizados a seco. Foram medidas as temperaturas das placas na entrada e saída do laminador, isto é, antes e após cada passe, utilizando-se um pirômetro de contato manual. Como a temperatura final das tiras, após o quinto passe, atingiu um valor abaixo da temperatura de recristalização da liga (340 o C), foi feito um recozimento das tiras a 370 o C por 1 hora, em uma mufla. Ensaio de Tração e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) De cada tira laminada, com espessura em torno de 3,0 mm, foram retirados três corpos de prova de tração (conforme a ASTM E 8M), na direção de laminação das tiras, a fim de avaliar a influência do chumbo sobre as propriedades mecânicas da liga AA3104, nas condições estudadas. Os ensaios de tração foram realizados no laboratório de ensaios mecânicos da ALCAN, em Pindamonhangaba, SP, numa máquina de tração universal, VEB THURINGUER, com capacidade 3151

3 aproximada de 100 kn. As análises com auxílio de MEV foram realizadas no DEMAR (Lorena, SP) num microscópio LEO 1450 VP, em amostras polidas sem ataque. Foram feitas análises qualitativas com o objetivo de identificar a presença e a distribuição do chumbo nas amostras. RESULTADOS E DISCUSSÃO Durante a laminação a quente das placas com 170x 140x22 mm 3 pode-se observar rachaduras laterais, conforme mostradas na figura 1. As tiras laminadas a quente estão na seqüência crescente dos teores de chumbo da esquerda para a direita, ou seja: 30, 30, 60, 140, 160, e 240ppm. As tiras oriundas das placas homogeneizadas com 200 e 240ppm de chumbo apresentaram rachaduras laterais já no primeiro passe (do total de cinco), para uma redução de 30% da espessura (22 para 15 mm). A tira com 30 ppm apresentou rachaduras somente no último passe (espessura final de 3,15 mm) e, a tira com 140 ppm apresentou rachaduras a partir do segundo passe. Para as tiras oriundas das placas não homogeneizadas foi observado também um aumento da quantidade e da profundidade das rachaduras a cada passe. A profundidade média das rachaduras aumentou com o aumento do teor de chumbo, conforme mostrado nas figuras 2 e 3, respectivamente, para a condição não homogeneizada e homogeneizada. Na condição não homogeneizada a profundidade média das rachaduras cresceu de 0,60 mm (30ppm) para 2,68 mm (190 ppm), representando um aumento em torno de 4,5 vezes e uma taxa média de crescimento da ordem de 1,3x10 2 mm por ppm de chumbo, menor que a taxa média de crescimento da condição homogeneizada. Figura 1. Tiras laminadas em ordem crescente dos teores de chumbo Na condição homogeneizada, a profundidade média das rachaduras laterais cresceu de 0,55 mm (30ppm) para 4,36 mm (240ppm), representando um aumento em torno de 8 vezes e uma taxa média de crescimento da ordem de 1,81x10 2 mm por ppm de chumbo, maior que a taxa média da condição não homogeneizada. A profundidade das rachaduras foi medida projetando-se a lateral da tira em um analisador de imagem Clemex versão com aumento em torno de 7 vezes. Mediu-se as profundidades das rachaduras maiores que 4 mm, num comprimento de 315,0 mm para ambos os lados de cada tira. Prof. Rachadura (mm) 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 y = 0,0124x + 0, Teor de Pb (ppm) 3152

4 Figura 2. Efeito do chumbo sobre a profundidade média das rachaduras laterais das tiras para a liga não homogeneizada. 5 Prof. da Rachadura (mm) y = 0,0172x - 0, Teor de chumbo (ppm) Figura 3. Efeito do chumbo sobre a profundidade média das rachaduras laterais das tiras para liga homogeneizada. A figura 4 mostra a variação das propriedades mecânicas em função do teor de chumbo, para liga na condição homogeneizada. A tensão de escoamento e a resistência à tração não apresentaram variações significativas. Porém, à medida que se aumentou o teor de chumbo ocorreu uma gradativa redução da resistência à tração, um ligeiro aumento da tensão de escoamento e uma redução mais acentuada do alongamento a partir de 150 ppm. A redução da resistência à tração associada ao aumento da tensão de escoamento e conseqüente diminuição do alongamento implica numa diminuição da capacidade da liga distribuir uniformemente as deformações plásticas na presença de gradientes de tensões e numa redução da ductilidade. Estes dois fatores afetam a conformabilidade da liga. Resistência à Tração x 10 (MPa) Tensão de Escoamento x 10 (MPa) Alongamento (%) Tensão de Escoamento Resistência à Tração Alongamento Teor de Chumbo (ppm) Figura 4. Efeito do chumbo sobre as propriedades mecânicas da liga AA3104 homogeneizada. As propriedades mecânicas da liga na condição não homogeneizada não apresentaram diferenças significativas em relação ao comportamento obtido para a condição homogeneizada, discutida no parágrafo anterior. Deve-se, no entanto, considerar que o alongamento apresentou valores sempre menores, quando comparados com a condição homogeneizada, e a tendência mais 3153

5 acentuada de redução do alongamento se deu a partir de 60 ppm. A condição não homogeneizada apesar de não ter aplicação industrial foi estudada para esclarecer o comportamento do chumbo durante o tratamento térmico de homogeneização. A figura 5.a mostra a presença do chumbo (pontos brancos) segregado em partícula de segunda fase e a trajetória de uma trinca interligando essas partículas, para uma amostra da liga homogeneizada com 240ppm. Na figura 5.b, observa-se a presença do chumbo (pontinhos brancos) distribuído em contornos em grão e segregado numa partícula de segunda fase (à direita mais abaixo da figura), para amostras na condição não homogeneizada com 190ppm. As figuras 5.c e 5.d mostram a trajetória de trincas na matriz interligando partículas de segunda fase e partículas quebradas, respectivamente, para amostras homogeneizadas com 240ppm e não homogeneizada (bruta de fusão) com 190ppm de chumbo. a) Liga homogeneizada b) L iga não homogeneizada c) L iga homogeneizada d) Liga não homogeneizada Figura 5. Microestruturas observadas em MEV. a) Presença do chumbo em partícula de segunda fase. b) Presença do chumbo em partícula de segunda fase e distribuídos em contornos de grão. c) Trajetória de trincas na matriz e interligando partículas de segunda fase. d) Trajetória da trinca através da matriz e acompanhando partículas de segunda fase. Na figura 5.a o chumbo encontra-se segregado somente em partícula de segunda fase do tipo Al 12 (FeMn) 3 Si 2 e Al 6 (FeMn) (3, 4). Em nenhuma das amostras analisadas foi encontrado chumbo fora destas partículas. Para as amostras não homogeneizadas (figura 5.b) há chumbo segregado em partículas de segunda Al 15 (FeMn) 3 Si 2 e Al 6 (FeMn) (3, 4), e em contornos de grão, além de uma maior quantidade de partículas de segunda fase quebradas, que ocorreu durante a laminação a quente. 3154

6 As figuras 5.c e 5.d mostram trincas que se propagaram na matriz, respectivamente, orientadas pelo descolamento das partículas de segunda fase da matriz (liga homogeneizada) e pelas partículas quebradas presentes em maior quantidade (liga não homogeneizada). CONCLUSÕES 1. O chumbo segregou em partículas de segunda fase Al 15(FeMn) 3Si 2 e Al 6(FeMn) e nos contornos de grão para a liga não homogeneizada. Durante a homogeneização o chumbo presente na liga migrou para as partículas de segunda fase aumentando o seu tamanho médio. 2. As partículas de segunda fase se descolaram da matriz (liga homogeneizada) ou quebraram-se durante a laminação a quente (liga não homogeneizada), proporcionando a nucleação e propagação de trincas, responsáveis pela formação das rachaduras nas bordas das tiras. 3. A profundidade média das rachaduras cresceu de 0,60 mm (30ppm) para 2,68 mm (190 ppm) na liga não homogeneizada e de 0,55 mm (30ppm) para 4,36 mm (240ppm) na liga homogeneizada, com taxa média de crescimento maior para a liga homogeneizada. 4. As propriedades mecânicas de tração não foram afetadas praticamente pela presença do chumbo, apenas o alongamento experimentou reduções mais significativas, em particular para a condição homogeneizada o que implica na redução da conformabilidade da liga. Agradecimentos: Os autores agradecem os apoios técnicos recebidos da Alcan Alumínio do Brasil Ltda (Pindamonhangaba, SP) e do DEMAR Departamento de Engenharia de Materiais FAENQUIL (Lorena, SP) e o apoio financeiro da FUNDUNESP Fundação para o Desenvolvimento da UNESP. REFERÊNCIAS 1. A. FILLETI, Desafios da Reciclagem de latas usadas no Brasil: a experiência da Alcan do Brasil Ltda. Anais do IV Seminário Internacional de Reciclagem do Alumínio. São Paulo, SP (1997), M. M. PIRES, Influência do teor de zinco e do processamento termomecânico nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão da liga de alumínio AA3104. Guaratinguetá (2002), 109p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica Projetos e Materiais) Fac. de Engenharia, UNESP - Universidade Estadual Paulista. 3. W. DE CARVALHO, Influência do teor de chumbo no processamento a quente da liga de alumínio AA3104. Guaratinguetá (2000), 68p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica Projetos e Materiais) Fac. de Engenharia, UNESP - Universidade Estadual Paulista. 4. W. B. HUTCHINSON, A. OSCARSSON, A. KARLSSON. Control of microestructure and earing behaviour in aluminum alloy AA3004 hot bands. Mater. Sci. and Tech. V.5 (1989),

7 EFFECT OF LEAD ON HOT ROLLING PROCESS OF THE AA3104 ALUMINUM ALLOY W. de Carvalho 1, A. Zangrand i 2 Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Guaratinguetá/SP, CEP: , aelcio@feg.unesp.br 1 Alcan Alumínio do Brasil Ltda., 2 Unesp Câmpus de Guaratinguetá, Dep. de Materiais e Tecnologia ABSTRACT The AA3104 aluminum alloy is subjected to several plastic deformations during the fabrication processes of beverage can. At present, about 40% of a remelt consists of used beverage can scraps and the control of their contaminants are needed. The present investigation was carried out to investigate the effect of the lead on hot rolling process of the AA3104 aluminum alloy. Samples were cast having 30, 60, 140, 160, 190, 200 and 240 ppm of lead. Samples having 30, 60, 160 and 190 ppm were not subjected to homogenization treatment. Samples having 30, 140, 200 and 240 ppm were subjsected to homogenization treatment, wich invoved soaking at 590ºC for 5 h. The two sets of samples were reheated at 480ºC then subjected to hot rolling process in a high precision mill. Microstructural investigations using SEM were carried out on some untreated cast samples and on hot rolled strips from homogenizated samples. For specimens cast without homogenization were identified the presence of lead seggregated in the second fases particles and in the grain boundary. For specimens homogenizated were idenfied the presence of lead only in second fase particles. It was found that particles containing lead produced greatest cracking, in depth. Key-words: aluminium alloy, beverage cans, lead, hot rolling 3156