Mecanismos para a formação de CIM no sistema alumínio-aço

Para o sistema Al-Fe, o diagrama de fases (Figura 3.22) indica a formação de quatro CIM estáveis do tipo AlxFey, os quais podem ser divididos em ricos em Al e ricos em Fe. Os primeiros,

reconhecidos como CIM frágeis, são o Al2Fe (), Al5Fe2 () e o Al3Fe (). Ao segundo grupo - dos mais dúcteis - pertence o Fe3Al. Porém, existem outros CIM metaestáveis como o Al6Fe, Al9Fe2 e o AlxFe formados durante a soldagem por fusão (RATHOD, 2004; AGUDO, 2007).

Figura 3.22. Diagrama de equilibro de fases Al-Fe.

Independentemente do mecanismo que origina os CIM, existe um parâmetro que controla seu crescimento: a difusividade das espécies. O intercâmbio entre elementos depende das espécies atômicas, o estado das fases (líquido ou sólido) que irão interagir, a temperatura, o tempo e a pressão. Agudo (2007) afirma que limitar o aporte de calor diminui a possibilidade da região do alumínio rica em ferro sofrer uma transformação de fase, reduzindo ou inclusive eliminando a formação de CIM. O mesmo autor assegura que a formação dos CIM, sem importar

Composição [% p.] Composição [% at.] Te mper atur a [ °C ]

o método de soldagem, se dá por meio de dois mecanismos: a) a formação no estado sólido como consequência da interdifusão de elementos através da interface, b) a nucleação e o crescimento a partir do líquido durante a solidificação. O primeiro mecanismo foi estudado por Chen (92004), enquanto Girard (2010) se centra no estudo da formação dos CIM pela segunda via.

A fim de poder estudar os mecanismos de formação dos CIM e realizar comparações com os resultados obtidos ao longo deste trabalho, são analisados dois processos de soldagem em juntas alumínio-aço. O primeiro é o processo de soldagem por difusão e outro é o processo de soldagem por fusão por arco elétrico com proteção gasosa (GMAW - Gas Metal Arc Welding) no modo de transferência por curto-circuito ou “transferência de metal a frio (CMT - Cold Metal

Transfer)”; ambos os processos, realizados na soldagem de juntas alumínio-aço, permitirão a

abordagem dos mecanismos sugeridos por Agudo (2007).

Além disso, vale destacar que para estes processos, bem como para qualquer outro com baixo aporte térmico, a soldagem da junta alumínio-aço deriva na formação somente de dois tipos de compostos intermetálicos: Al3Fe e Al5Fe2. O primeiro cresce no lado do alumínio e tem formato elíptico, enquanto o segundo cresce no lado do aço com aspecto alongado na direção perpendicular à interface. Com essas considerações, são estudados os mecanismos de formação dos CIM no estado sólido e partindo do líquido.

3.7.1 Formação de CIM em estado sólido

Independente do mecanismo, a difusão do ferro no alumínio é muito maior que a do alumínio no ferro, o que favorece a formação dos compostos AlxFey frágeis. No primeiro cenário,

a cinética de formação dos CIM envolve duas etapas: 1) o desenvolvimento de uma região supersaturada pela migração dos átomos e 2) a reação da região supersaturada transformando-se nos CIM (RATHOD, 2004).

Quando há diferenças muito grandes na difusividade dos elementos, como é o caso do sistema Al-Fe, o enriquecimento é favorecido em um lado da interface - o lado do alumínio -, onde a taxa de saturação depende da difusividade do ferro.

A forma e o tipo de CIM, em juntas alumínio-aço, foram estudados por Rathod (2004), que explorou o efeito que a temperatura, o tempo e a compressão têm na difusão e posterior formação dos CIM. Para condições de difusão limitada, tempo e temperatura baixos, são formadas partículas isoladas de CIM no lado do alumínio (Figura 3.23a). Com o aumento do tempo e/ou a temperatura, as partículas isoladas se transformam em uma camada continua de CIM com duas regiões claramente diferenciáveis: uma de Al3Fe, no lado do alumínio, e outra de Al5Fe2, no lado do aço (Figura 3.23b).

Figura 3.23. Imagens de CIM em soldagem por difusão formados a 550 °C e pressão de 31,5 MPa com tempo de a) 100 s e b) 3600 s. c) Imagem da interface com presença dos CIM Al5Fe2 e Al3Fe; as setas vermelhas indicam regiões ricas em ferro típicas na formação de Al5Fe2. d) Esquema do estado inicial e final da sequência da formação dos CIM. Adaptado de Rathod (2004).

Infelizmente, Rathod não define claramente qual é o CIM que começa a transformação. Karfoul (2007) propõe que a transformação começa com a formação da fase Al3Fe a partir de uma região no alumínio enriquecida em ferro. Esta proposta é coerente ao considerar que a quantidade de átomos de ferro necessários para a formação de Al3Fe é menor em comparação com a fase Al5Fe2. Como prova o digrama da Figura 3.22, o Al3Fe possui um teor atômico de ferro (40,7 %p. de Fe) menor que o Al5Fe2 (45,2 %p. de Fe), o que favorece sua formação inicial.

a)

b)

c)

d)

A partir destas observações, os estágios para a formação dos CIM pelo mecanismo de difusão são: 1) Formação de partículas separadas de Al3Fe no lado do alumínio, 2) coalescência das partículas formando uma camada fina e uniforme de Al3Fe na interface, 3) nucleação da fase Al5Fe2 a partir do Al3Fe, 4) engrossamento da camada de Al5Fe2 e do Al3Fe em direção ao aço e ao alumínio, respectivamente, 5) crescimento da fase Al5Fe2 em detrimento do composto Al3Fe.

Grande parte do tempo indispensável para formação dos CIM é o período que leva o enriquecimento do alumínio em ferro, chamado de tempo de encubação. Na cinética da formação dos CIM, durante os primeiros estágios, o aumento na compressão diminui o tempo de incubação e/ou a temperatura para o início da transformação, o que facilita a formação de uma camada continua de CIM.

Portanto, os parâmetros que governam o fenômeno de formação dos CIM em estado sólido e, em particular, no caso da soldagem por atrito com pino, são a história térmica (temperatura máxima e tempo a alta temperatura), o coeficiente de difusão dos elementos e o esforço de compressão aplicado durante o processo.

3.7.2 Formação de CIM a partir do líquido

Para este caso, e na soldagem por fusão de juntas alumínio-aço, é evidente que o metal que fundirá é o alumínio, devido à sua menor temperatura de fusão. Agudo (2007) estudou a microestrutura típica na interface alumínio-aço em juntas realizadas mediante GMAW-CMT. Ele mostrou que o CIM está formado por grãos elípticos de Al3Fe ao longo da interface, com grãos trapezoidais de Al5Fe2 crescendo em direção ao aço (Figura 3.24a), em uma configuração semelhante à observada por Rathod (2004) e apresentada na Figura 3.23.

Estudando esta estrutura, para diferentes condições de soldagem, Agudo (2007) sugere a sequência da transformação resumida na Figura 3.24b, como: 1) Fusão parcial do alumínio, 2) molhamento da superfície de aço pelo alumínio fundido, 3) dissolução do metal sólido (neste caso, o ferro) no metal líquido (alumínio), 4) difusão dos átomos de alumínio no ferro, 5) formação primária da fase Al5Fe2 a partir da matriz de ferro rica em alumínio e 6) solidificação heterogênea do Al3Fe a partir do Al5Fe2, devido à difusão do ferro.

Figura 3.24. a) Imagem no modo STEM de interface alumínio-aço soldada usando GMAW-CTM. b) Esquema das fases presentes: grãos trapezoidais de Al5Fe2 e grãos elípticos de Al3Fe com alta densidade de micromaclas; as setas vermelhas correspondem a locais de baixa difusão de átomos de alumínio, semelhante ao apresentado na Figura 3.23d. Adaptado de Agudo (2007).

Por outro lado, Chen (2008) sugere uma sequência diferente começando com a formação do Al3Fe que posteriormente reage com o alumínio líquido formando o Al5Fe2. O início da transformação a partir do Al3Fe parece coerente pelos mesmos motivos citados para o caso de crescimento por difusão.

Contudo, a proposta de Chen é inconsistente ao desconsiderar que o alumínio se encontra em estado líquido, aumentando sua difusividade, o que acelera o processo de enriquecimento do ferro com átomos de alumínio. Adicionalmente, na Figura 3.24 há duas características microestruturais que permitem encerrar esta discussão: A primeira delas relacionada com o crescimento de vários grãos de Al3Fe a partir de um único cristal de Al5Fe2, o que indica nucleação heterogênea do primeiro a partir do segundo. A segunda característica é em relação ao formato ondulado da interface Al3Fe e a matriz de alumínio, indicando que o Al3Fe se forma na interface Al5Fe2-líquido.

a)

b)

Al

Aço

CIM