UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
Estudo do Processo de Fabricação de Compósitos de Matriz
Metálica da Liga de Alumínio AA6061 por Metalurgia do Pó via
Moagem de Alta Energia e Sinterização a Vácuo
RECIFE 2012
MARCIO MARCELO SAMPAIO DE SOUSA
Estudo do Processo de Fabricação de Compósitos de Matriz
Metálica da Liga de Alumínio AA6061 por Metalurgia do Pó via
Moagem de Alta Energia e Sinterização a Vácuo
Dissertação submetida à Universidade Federal de Pernambuco para obtenção do título de mestre em engenharia mecânica, área de materiais e fabricação.
RECIFE 2012
Catalogação na fonte
Bibliotecária Margareth Malta, CRB-4 / 1198
S725e Sousa, Marcio Marcelo Sampaio de.
Estudo do processo de fabricação de compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA6061 por metalurgia do pó via moagem de alta energia e sinterização a vácuo/ Marcio Marcelo Sampaio de Sousa. - Recife: O Autor, 2012.
113folhas, il., gráfs.,tabs.
Orientador: Prof.Dr. Oscar Olímpio de Araújo Filho.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2012.
Inclui Referências Bibliográficas.
1. Engenharia Mecânica. 2.Compósitos de matriz metálica da liga de alumínio. 3.Metalurgia do pó. 4. Moagem de alta energia. 5. Reforço particulado.I. Araújo Filho, Oscar Olímpio de. (Orientador).II. Título.
UFPE
“ESTUDO DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA DA LIGA DE ALUMÍNIO AA6061 POR METALURGIA DO PÓ VIA
MOAGEM DE ALTA ENERGIA E SINTERIZAÇÃO A VÁCUO” MARCIO MARCELO SAMPAIO DE SOUSA
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: MATERIAIS E FABRICAÇÃO APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA/CTG/EEP/UFPE
_____________________________________________________
Prof. Dr. OSCAR OLÍMPIO DE ARAÚJO FILHO ORIENTADOR/PRESIDENTE
____________________________________________________ Prof. Dr. JORGE RECARTE HENRÍQUEZ GUERRERO COORDENADOR DO PROGRAMA
BANCA EXAMINADORA:
________________________________________________________________ Prof. Dr. OSCAR OLÍMPIO DE ARAÚJO FILHO (UFPE)
_________________________________________________________________ Prof. Dr. RICARDO ARTUR SANGUINETTI FERREIRA (UFPE)
_________________________________________________________________ Prof. Dr. CARLOS COSTA DANTAS (UFPE)
À minha esposa Maria Gilda e aos meus filhos Marcelo e Guilherme pelo carinho e paciência dispensados durante a longa jornada acadêmica.
AGRADECIMENTOS
A princípio agradeço a Deus por iluminar o meu caminho, concedendo-me força para seguir em frente e serenidade para acalmar o meu espírito nos momentos mais difíceis.
Quero registrar aqui os sinceros agradecimentos ao meu orientador Prof. Dr. Oscar Olímpio de Araújo Filho que revelou o caminho certo a ser seguido na escolha do meu tema; e pelo apoio irrestrito, fundamental e necessário para realização do presente trabalho.
Ao professor Dr. Severino Leopoldo Urtiga Filho, Coordenador do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE, pelo convívio fraternal e pela liderança perante todas as partes envolvidas na elaboração desse trabalho científico.
Ao professor Dr. Tiago Leite Rolim por disponibilizar de forma bastante prestiminosa os equipamentos, as máquinas e ferramentas da Oficina do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE.
Aos professores Dr. Ricardo Artur Sanguinetti Ferreira e Dr. Maurílio José dos Santos que efetuaram com dedicação a revisão textual permitindo uma melhor estruturação técnica, outrossim o enquadramento nas normas ABNT vigentes.
Aos professores Dr. Cézar Henrique Gonzalez e Dr. Yogendra Prasad Yadava que não mediram esforços como facilitadores no processo de pesquisa.
Aos colegas de pós-graduação Everthon Rodrigues de Araújo e Sérvulo Alves pela ajuda e experiência comum compartilhada durante toda jornada de trabalho.
Aos demais professores do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE que direta ou indiretamente tornaram possível a elaboração desse trabalho científico.
Aos amigos Janaína Cirino e Ivaldo Dantas, do Laboratório de Metalografia da UFPE, sempre dispostos a ajudar na árdua tarefa de preparação metalográfica das amostras.
Ao amigo Diniz Ramos do Laboratório de Propriedades Mecânica cuja experiência foi fundamental na realização dos ensaios de dureza.
Ao amigo Sérgio Santos do Laboratório de Microscopia Eletrônica de Varredura do Departamento de Física da UFPE pela profícua colaboração na caracterização das amostras.
RESUMO
O presente trabalho tem como escopo processar e fabricar compósitos de matriz metálica da liga de Alumínio AA6061 com reforço particulado de nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de alumínio (AlN) através de técnicas de Metalurgia do Pó (MP) com o propósito de melhorar as propriedades mecânicas deste material. O estágio atual da indústria exige materiais com propriedades especificas que não podem ser atendidas pelo uso isolado das ligas metálicas, dos materiais cerâmicos e dos materiais poliméricos. É o caso particular das indústrias aeronáutica, aeroespacial e de transporte, que demandam materiais estruturais com baixa densidade, fortes, rígidos, resistentes à abrasão, ao impacto e a corrosão. Essa exigência conduz o pesquisador a investigar os materiais compósitos. A distribuição homogênea da fase de reforço na matriz é um requisito primordial para melhorar as propriedades mecânicas. Nesse contexto, sabe-se que a Metalurgia do Pó (MP) promove uma melhor distribuição do reforço na fase matriz em relação ao processo convencional de fundição, obtendo-se então materiais com melhores propriedades mecânicas notadamente dureza e resistência ao desgaste. Este trabalho investiga especificamente o uso de moagem de alta energia (MAE), seguida de compactação uniaxial a frio e sinterização a vácuo na obtenção de compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA6061 reforçado com nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de alumínio (AlN). A Metalurgia do Pó (MP) é uma técnica de fabricação de produtos metálicos obtidos por meio de conformação de pó metálico seguido de tratamento de sinterização conferindo propriedades físicas e mecânicas de acordo com as normas MPIF, ASTM, SAE e demais correlacionadas. A moagem de alta energia possibilita a produção de mistura homogênea e pós finos promovendo melhoria na sinterabilidade dos compactados, isso devido ao fato desta moagem promover deformações plásticas nas partículas metálicas e fraturas, levando a um refinamento contínuo dos pós envolvido na moagem. Os resultados de dureza apresentaram-se linearmente crescentes com o aumento da fração de reforço na matriz sendo que o compósito reforçado com nitreto de silício apresentou, no geral, melhor desempenho que o reforçado com nitreto de alumínio.
Palavras-chaves: Compósitos de matriz metálica de liga de alumínio, Metalurgia do Pó, Moagem de Alta Energia, Reforço Particulado.
ABSTRACT
This paper has as purpose to process and fabricate metal matrix aluminium alloy AA6061 composites reinforced with particulate silicon nitride (Si3N4) and aluminum nitride (AlN) by Powder Metallurgy techniques with proposal of improving the mechanical properties of this material for the present state of modern industry requires materials with very specific properties can’t be obtained by using isolated metal alloys, ceramic materials and conventional polymeric materials. It is the particular case of the aeronautics industry, aerospace and transportation that require structural materials with low density, strenght, rigid, resistant to abrasion, impact and corrosion. This demand for materials that combine all these characteristics, leads the researcher to investigate composite materials, in this case composite aluminium alloy reinforced with silicon nitride and aluminium nitride, and that the homogeneous distribution of the mechanical alloying alloyed processed aluminium alloys powders and dispersed reinforcement ceramic phases silicon nitride and aluminium nitride in the matrix is a primary requirement for improving the mechanical properties and achieving those characteristics. In this context, it is known that the Powder Metallurgy allows the production of composite materials with better distribution of the reinforcement phase than that produced by the conventional process. This study specifically investigates the use of high energy ball milling or also called Mechanical Alloying followed by cold uniaxial pressing and vacuum sintering in order to obtain metal matrix aluminum alloy AA6061 composites reinforced with silicon nitride (Si3N4) and aluminium nitride (AlN). The Powder Metallurgy or P/M is a technique for manufacturing metal products obtained by forming the metal powders followed by sintering treatment, where the materials is subjected to temperatures below the melting under controlled atmosphere, giving physical and mechanical properties according to MPIF standards, ASTM, SAE, ISO and others correlate to the Powder Metallurgy (P/M). The high energy ball milling or Mechanical Alloying enables the production of homogeneous mixtures and ultrafine powders promoting considerably improved sinterability of the powders due to the fact that this grinding (milling) promote plastic deformation and fracture in metal particles, leading to a continual refinemen to the powders involved in grinding (milling).The high energy ball milling technique used a vibratory type mill SPEX. In this work of research was processed aluminium alloy AA6061 powders with milling time of 01h (one hours) particulate reinforced with 5, 10 and 15% (wt%) silicon nitride and aluminum nitride using the route technique of high energy ball milling.
Key-words: Aluminium alloys metal matrix composites, Powder Metallurgy, Mechanical alloying, Particulate reinforcement.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Justificativa ... 2 1.2 Objetivos ... 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4 2.1 Compósitos ... 4 2.2 Ligas de Alumínio ... 7
2.3 Compósitos de Matriz Metálica de Alumínio ... 10
2.4 Metalurgia do Pó ... 12
2.5 Moagem de alta energia (MAE) ... 13
2.6 Compositos de Matrizes Metálicas de Al por MP ... 15
2.7 Aplicações dos compósitos de matrizes metálicas de Al por MP ... 20
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 24
3.1 Materiais ... 24
3.2 Métodos ... 25
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 44
4.1 Resultados da Caracterização do Pós Recebidos para Pesquisa. ... 44
4.2 Resultados obtidos do MEV/EDS dos pós processados por moagem de alta energia (MAE) ... 49
4.3 Resultados obtidos por Difração de Raios-X (DRX) dos pós processados por Moagem de Alta Energia (MAE). ... 68
4.4 Granulometria dos Pós Processados por Moagem de Alta Energia (MAE) ... 69
4.5 Densidade do Compactado Verde e Densificação do Sinterizado ... 74
4.6 Resultados da Microscopia Ótica (MO) dos compósitos reforçados e sinterizados ... ..79
4.7 Resultados da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X das pastilhas do compósito sinterizado a vácuo na temperatura de 500ºC durante 5 horas. ... .87
4.8 Resultados da Dureza Vickers do compósito reforçado com Nitreto de Silício(Si3N4) e Nitreto de Alumínio (AlN) sinterizado a vácuo na
temperatura de 500ºC durante 5 horas. ... 103
5 CONCLUSÕES ... 107
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 108
LISTA DE SIGLAS
AA Aluminum Association
ABAL Associação Brasileira de Alumínio ASM Aerosospace specificacion Metal
ASTM American Society for Testing and Materials CMA Compósito de Matriz Metálica de Alumínio CMM Compósito de Matriz Metálica
Compolab Laboratório de Compósito
DR Difração a Laser
EDS Energy Dispersive Spectroscopy EDX Espectroscopia Dispersiva de Raio X
HV Dureza Vickers
INCO International Nickel Company
ITEP Instituto Tecnológico de Pernambuco JCPDS Joint Commitee for Powder Difraction MA Mechanical Alloying
MAE Moagem de Alta Energia
MEV Microscopia ou Microscópio Eletrônico de Varredura MMC Metal Matrix Metallic
MO Microscopia ou Microscópio Ótico MP Metalurgia do Pó
MPIF Metal Powder Industries Federation
PA Pro-análise
PCA Process Control Agent
SAE Society of Automotive Engineers UFPE Universidade Federal de Pernambuco USP Universidade de São Paulo
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Geometrias usadas em reforços nos compósitos de matriz metálica ... 04
Figura 2 - Desenho esquemático da sinterização convencional de pós de alumínio ... 13
Figura 3 - Evolução da morfologia esférica para morfologia equiaxial de uma partícula submetida ao processo de Moagem de Alta Energia (MAE) ... 15
Figura 4 - Moinho agitador do tipo Spex utilizado em moagem de alta energia. ... 16
Figura 5 - Moinho Pulverisette típico usado em Moagem de Alta Energia equipado com 07 (seis) estações de moagem. ... 17
Figura 6. Moinho atritor típico. ... 18
Figura 7 - Desenho esquemático de uma partícula de pó de alumínio mostrando o filme de óxido que recobre cada partícula... 20
Figura 8. Fluxograma de fabricação e caracterização do compósito elaborado. ... 24
Figura 9. Diferença entre Moagem de Alta Energia (MAE) sem e com PCA. ... 25
Figura 10. Balança utilizada na pesagem dos pós de partidas e das pastilhas sinterizadas ... 26
Figura 11. Moinho do tipo Spex utilizado na moagem de alta energia. ... 28
Figura 12. Mídia de moagem. ... 28
Figura 13 - Sputter Coater do Departamento de Física da UFPE. ... 30
Figura 14 - Microscopio Eletrônico de Varredura (MEV).. ... 31
Figura 15 - Equipamento de Difração a Laser utilizado na pesquisa. ... 31
Figura 16 - Componentes do molde metálico utilizado na compactação uniaxial a frio... 33
Figura 17 - Molde (matriz) de compactação na iminência do processo de conformação do pó processado por Moagem de Alta Energia (MAE). ... 34
Figura 18 - Pastilha de compactado verde obtido no processo de conformação do pó ... 34
Figura 19 - Forno utilizado (a) e pastilhas do compactado verde no forno (b) ... 35
Figura 20 - Manômetro indicando o vácuo (a) no interior do forno e as pastilhas já sinterizadas (b). ... 35
Figura 21 - Máquina de corte de precisão (a) e uma pastilha sinterizada seccionada (b). ... 38
Figura 22 - Lixadeira utilizada na presente pesquisa (a) e uma amostra embutida e lixada (b)... 39
Figura 23 - Politriz utilizada para polimento das amostras sinterizadas ... 40
Figura 25 - Amostra sinterizada sem embutimento no porta–amostra do MEV/EDS (a)
e amostra embutida (b). ... 42
Figura 26 - Durômetro utilizado (a) e indentação no compósito sinterizado(b). ... 43
Figura 27 - Microfotografias obtidas no MEV por meio de elétrons secundários do pó recebido da matriz AA6061. ... 44
Figura 28 - MEV do reforço cerâmico de nitreto de silício comercial recebido para pesquisa . ... 47
Figura 29 - MEV do reforço cerâmico de nitreto de alumínio recebido para pesquisa. ... 48
Figura 30 - Evolução morfológica do compósito reforçado com Si3N4 nas frações em massa de 5% (a,b), 10% (c, d) e 15% (e, f) submetido a MAE durante 30 minuto (a, c, e) e 60 minutos (b, d, f) de processamento ... 49
Figura 31 - Deposição de partículas de reforço (Si3N4) sobre as partículas do compósito reforçado com 5% (a,b), 10% (c,d) e 15% (e,f) após MAE durante 30 minutos (a,c,e) e 60 minutos (b, d, f) ... 52
Figura 32 - Mostra a evolução morfológica do compósito reforçado com AlN nas frações em massa de 5% (a,b), 10% (c, d) e 15% (e, f) submetido a MAE durante 30 minuto (a, c, e) e 60 minutos (b, d, f) de processamento. ... 54
Figura 33 - Deposição de partículas de reforço (AlN) sobre as partículas do compósito reforçado com 5% (a,b), 10% (c,d) e 15% (e,f) após MAE durante 30 minutos (a, c,e) e 60 minutos (b, d, f). ... 56
Figura 34 - Micrografias da matriz AA6061 sem reforço submetida à MAE durante 60 min. compactada e sinterizada a 550ºC. Ataque químico com HF 0,5% durante 80s ... . 79
Figura 35 - Micrografias do compósito reforçado com 5% em massa de nitreto Si3N4 ... ..80
Figura 36 - Micrografias do compósito reforçado com 10% em massa de Si3N4 ... ..81
Figura 37 - Micrografias do compósito reforçado com 15% em massa de Si3N4 ... ..82
Figura 38 - Mostra o compósito reforçado com 5% em massa de nitreto de alumínio (AlN) ... ..83
Figura 39- Micrografias do compósito reforçado com 10% em massa AlN. ... .85
Figura 40 - Micrografias do compósito reforçado com 15% em massa AlN. ... .86
Figura 41- MEV do compósito AA6061 reforçado com 5%de Nitreto de Silício (Si3N4) ... 87
Figura 42 - MEV / EDS do compósito AA6061 reforçado com 10% de Si3N4). ... 90
Figura 43 - Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado com 15% de Nitreto de Silício (Si3N4) ... 92
Figura 44 - MEV das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado com 10% de AlN. ... 95
Figura 45 - MEV das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado com 10% de AlN. ... 97
Figura 46- MEV das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado com 15% AlN. ... 100
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Ciclo de sinterização da liga de Alumínio AA6061 reforçada. ... 37 Gráfico 2 - Difratograma (DRX) da liga AA6061(sem reforço). ... 45 Gráfico 3 - Distribuição de tamanho de partículas do pó da liga AA6061 recebida para
pesquisa sem reforço. ... 46 Gráfico 4 - Tamanho da partícula da liga de alumínio AA6061 (sem reforço) ... 47 Gráfico 5 - Espectro da microanálise de EDS da liga AA6061 reforçada 15%Si3N4,
processada por MAE durante 30 minutos. ... 53 Gráfico 6 -Espectro da microanálise de EDS da liga AA6061 reforçada 15% de AlN ,
processada por MAE durante 30 minutos ... 57 Gráfico 7 - DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 5% de Nitreto de
Silício (Si3N4) (a,b)... 58 Gráfico 8 -DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 10% de Nitreto de
Silício (a,b). ... 59 Gráfico 9 - DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 15% de Nitreto de
Silício (a,b) ... 61 Gráfico 10 - DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 5% de Nitreto de
Alumínio. ... 62 Gráfico 11 - DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 10% de Nitreto de
Alumínio (AlN) (a,b). ... 63 Gráfico 12-DRX do compósito da Liga AA6061 reforçado com 15% de Nitreto de
Alumínio (AlN) (a,b). ... 64 Gráfico 13 - AA6061 com reforço de 5% de Nitreto de Silício (Si3N4) processada por
Moagem de Alta Energia(MAE) durante o tempo de 30e 60 min. (a,b,c). ... 65 Gráfico 14 - AA6061 com reforço de 10% de Nitreto de Silício (Si3N4) processada por
Moagem de Alta Energia(MAE) durante o tempo de 30e 60 min ... 67 Gráfico 15 - AA6061 com reforço de 15% de Nitreto de Silício (Si3N4) processada por
Moagem de Alta Energia(MAE) durante o tempo de 30e 60 min. (a,b,c) ... 68 Gráfico 16 - AA6061 com reforço de 5% de Nitreto de Alumínio (AlN) processada
por Moagem de Alta Energia (MAE) durante o tempo de 30 e 60 min ... 70 Gráfico 17 - AA6061 com reforço de 10% de Nitreto de Alumínio (AlN) processada
por Moagem de Alta Energia(MAE) durante o tempo de 30e 60 min. ... 71 Gráfico 18 - AA6061 com reforço de 15% de Nitreto de Alumínio (AlN) processada
por Moagem de Alta Energia(MAE) durante o tempo de 30e 60 min ... 73 Gráfico 19 - Densificação do compósito da liga AA6061 reforçada com fração em
massa de 5,10 e 15% de Si3N4. ... 75 Gráfico 20 - Densificação do compósito da liga AA6061 reforçada com fração em
massa de 5,10 e 15% de AlN.. ... 78 Gráfico 21 - EDS do compósito AA6061 reforçado com 5% de Si3N4.(a,b,c) ... ...88
Gráfico 22 – EDS do compósito AA6061 reforçado com 10% de Si3N4 (a,b,c) ... ..91 Gráfico 23 - EDS do AA6061 reforçado com 15% de Nitreto de Silício (Si3N4). ... ..94 Gráfico 24- EDS das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado
com 5% de AlN. ... ..96 Gráfico 25– EDS das pastilhas sinterizadas do compósito AA6061 reforçado com
10% de AlN (a, b, c). ... ..99 Gráfico 26 - EDS do compósito AA6061 reforçado com 15% de AlN. (a,b,c) ... 102 Gráfico 27 - Dureza Vickers realizada com carga de 5kg, do compósito da Liga de
AA6061 reforçado com Si3N4 e AlN e sinterizado a vácuo durante
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química da liga de alumínio AA6061. ... 09
Tabela 2 - Sistema de classificação da The Aluminum Association Inc., associação dos produtores norte-americanos ... 09
Tabela 3 - Principais elementos de liga presente nas ligas de alumínio ... 21
Tabela 4 - Distribuição das amostras ... 27
Tabela 5. Parâmetros de moagem para os pós de partida ... 29
Tabela 6 - Critérios utilizados na confecção das 18 (dezoito) amostras. ... 32
Tabela 7 - Características geométricas das partes que compõem o molde de compactação ... 33
Tabela 8 - Densidade do compactado verde processado por Moagem de Alta Energia (MAE) durante 60min da liga AA6061 reforçado com 5,10 e 15% de Si3N4. ... 74
Tabela 9 - Densificação do compósito sinterizado da liga AA6061 reforçada com fração em massa de 5,10 e 15% de Si3N4. ... 75
Tabela 10 - Densidade do compactado verde processado por Moagem de Alta Energia (MAE) durante 60min da liga AA6061 reforçado com 5,10 e 15% de Nitreto de Alumínio (AlN). ... 76
Tabela 11 - Densificação do compósito sinterizado da liga AA6061 reforçada com fração em massa de 5,10 e 15% de AlN ... 77
1 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.
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 envolvem produtos metalúrgicos.
Os componentes que podem compor um material compósito são classificados em dois tipos: matriz e reforço. A matriz dos compósitos preenche os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantem-os em suas posições relativas, transmitindo os esforços mecânicos aos reforços, mantendo-os em posição, e contribuindo com alguma ductilidade (em geral pequena) para o compósito. Os materiais de reforço são os que realçam propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo, e são os elementos que suportam os esforços no compósito, são em geral de elevadas resistência e rigidez. A resistência será máxima quando as partículas estiverem orientadas com o esforço e mínima na direção perpendicular.
O coeficiente de expansão térmica deve ser muito semelhante entre reforço e matriz para que haja boa aderência da matriz à fibra.
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 (Si3N4) e Nitreto de alumínio (AlN).
A metalurgia do pó confere três vantagens básicas se comparadas a outras técnicas metalúrgicas, como a fundição por exemplo. A primeira é o custo de produção menor, que compensa o fato de o pó ter o preço superior ao das chapas e das barras metálicas. A segunda é a possibilidade de obter materiais e ligas fora do equilíbrio, que não se poderiam ser produzidas utilizando-se dos processos convencionais como fusão, seguida de lingotamento e conformação a quente. A terceira vantagem básica é que o processo de produção é mais
simples, mais enxuto, ao ponto de possibilitar a elaboração de componentes novos com melhores propriedades e com menos desperdício de material.
A metalurgia do pó possibilita a fabricação de peças metálicas pequenas e de design complexo, como componentes de automóveis, de relógios, de equipamentos médicos, entre outros. Em vez da barra ou chapa, o processo tem início com um pó metálico muito fino. Esse pó é colocado em um molde e depois prensado onde é compactado até adquirir uma forma definitiva chamada de compactado verde. O compactado verde, posteriormente, será submetido à sinterização, em forno apropriado. Um das características da metalurgia do pó reside no fato que ela é realizada na ausência de fase líquida, ou pelo menos, na presença parcial de fase líquida, redundando em economia de energia e consequentemente em redução de custos por peças produzidas.
A técnica de metalurgia do pó é antiga na indústria, sendo aplicada pelo menos desde a Segunda Guerra Mundial, mas somente a partir dos anos 60 ganhou força, com a criação de novas máquinas capazes de fazer as peças a partir do pó. No Brasil, no entanto, ela ainda vive uma fase de consolidação, estando presente principalmente na indústria automotiva.
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 (Si3N4) 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. Os pós dos compósitos foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), Difração a Laser (DL) e Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) equipado com Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios - X (EDS). A caracterização da microestrutura do sinterizado foi realizada por meio de MEV/EDS enquanto que a Dureza Vickers foi avaliada a fim de verificar o quão efetivo foi a incorporação dos reforços na preparação dos compósitos.
1.1 Justicativa
O aumento da demanda por materiais compósitos têm estimulado a formação de recursos humanos cada vez mais capacitados e especializados a fim de atingir o desafio de fabricar materiais que apresentem combinações de propriedades que não são encontradas em materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Principal
O presente trabalho tem como escopo principal processar e fabricar compósitos de matriz metálica da liga de alumínio AA6061 com reforços particulado de nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de alumínio (AlN) utilizando a técnica de Metalurgia do Pó usando moagem de alta energia e compactação uniaxial a frio seguida de sinterização a fim de obter um novo material que apresente propriedades mecânicas otimizada em relação aos materiais iniciais.
1.2.2 Objetivos Específicos
Estudar a viabilidade técnica da metalurgia do pó como processo de produção para fabricação dos compósitos da liga de alumínio AA6061 reforçado com pó cerâmico de nitreto de silício e de nitreto de alumínio;
Verificar melhora nas propriedades mecânicas da liga de alumínio AA6061 reforçada com as diferentes frações em massa dos reforços particulado de Si3N4 e AlN relativamente a liga sem reforço.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Compósitos
Os compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais. Um exemplo típico é o compósito de fibra de vidro em matriz polimérica. A fibra de vidro confere resistência mecânica, enquanto a matriz polimérica, na maioria dos casos constituída de resina epoxídica, é responsável pela flexibilidade do compósito. A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas. Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais conjugados ou materiais compostos.
A madeira é um material compósito natural, em que a matriz e o reforço são poliméricos. O concreto é outro compósito comum. Neste caso, tanto a matriz como o reforço são materiais cerâmicos. No concreto, a matriz é cimento Portland e o reforço é constituído de 60 a 80% em volume de um agregado fino (areia) e de um agregado grosso chamado de pedregulho. O concreto pode ainda ser reforçado com barras de aço. A grande expansão no desenvolvimento e no uso dos materiais compósitos teve início na década de 70 (PADILHA, 2000).
A definição de material compósito é bastante flexível. Este material é caracterizado em geral, por ser heterogêneo contendo pelo menos duas fases distintas, onde uma das fases aparece contínua, sendo então denominada matriz e a outra comumente chamada de reforço, que pode estar na forma de partículas e "whiskers", fibras curtas e fibras contínuas (CHAWLA, 1993).
A interface matriz-reforço desempenha um papel importante no comportamento do material compósito (QUAN, 1999). Por ser a região de ligação entre a matriz e o reforço, ocorre à transferência de carga (ASTHANA, 1998). Além de constituir–se em local de geração de discordâncias durante os processos de deformação plástica e alterações térmicas (MANOHARAN, 1999).
As uniões entre a matriz e o reforço num material compósito são de difícil classificação. Contudo, ela tem-se realizado segundo o tipo de reatividade química que é desenvolvida entre a matriz e o reforço, obtendo-se assim, ss seguintes tipos de reações (SATER, 1994):
Matriz e material de reforço não são reativos e são insolúveis.
Matriz e material de reforço não são reativos, mas são solúveis.
Matriz e material de reforço reagem para formar um terceiro componente na interface. O principal requisito da interface é apresentar uma boa resistência mecânica, para transferir a carga da matriz ao reforço, sem fraturar (CARACOSTAS et al 1997). E também ter uma tenacidade moderada, para que a interface atue como um amortecedor mecânico, protegendo a fibra de trincas provenientes da matriz (LUIZ, MARQUES, GOLDENSTEIN, 1993).
Para Mataix (1999) os principais parâmetros necessários para obter uma interface “ideal” são:
1ª) A molhabilidade entre a matriz e os elementos de reforço deve ser perfeita, em processos de conformação por fusão. Neste caso, intervém a natureza termodinâmica dos diferentes elementos, e em especial suas energias superficiais;
2º) Devem existir forças de união suficientemente fortes para transmitir os esforços da matriz ao reforço;
3º) As uniões devem ser estáveis no tempo, e sobretudo, na faixa de temperatura de utilização do material compósito;
4ª) As zonas de reação interfacial devem ser reduzidas e não afetar a natureza dos elementos de reforço;
5ª) Os coeficientes de dilatação térmica da matriz e dos reforços devem ser similar para limitar os efeitos de tensão interna através da interface, sobretudo, ao se utilizar o compósito em elevadas temperaturas.
Primeiramente, devem-se considerar as uniões do tipo mecânicas, ou seja, quando não ocorre reação química. Este tipo de união pode existir quando o material de reforço apresente uma superfície rugosa. Porém, esta ausência de união química conduz propriedades mecânicas
medíocres (ASTHANA, 1998).
O tipo de união com molhabilidade e com dissoluções tem lugar nos materiais compósitos reforçados por praticamente todos os elementos, com exceção dos óxidos. A matriz tende a molhar e/ou dissolver parcialmente os elementos de reforço, sem que se formem compostos entre ambos, existindo interações eletrônicas a curtas distâncias (distâncias atômicas) (DA COSTA, 1998).
As uniões produzidas por reações químicas entre matriz/reforço provocam a transferências de átomos, em um ou em ambos os materiais, formando um novo composto químico na interface, ou reações químicas mais complexas, que podem ser representadas mediante uma sequência de reações. Existem fatores que podem afetar a estabilidade das interfaces. Como a instabilidade devido à dissolução, cujo inconveniente principal é a perda parcial do material de reforço, produzindo-se cavidades devido ao efeito Kirkendal, principalmente quando o reforço é do tipo metálico. Instabilidade devido à decomposição da interface, produzidos em compósitos sujeitos a ciclos térmicos. Instabilidade devido à reação interfacial, que degradam as propriedades do compósito (CLYNE, 1997).
Os reforços podem ser contínuos (fibras longas) e descontínuos (partículas, "Whiskers" e fibras curtas). De uma forma geral, os compósitos com reforços contínuos apresentam eficiência de transferência de carga da matriz para o reforço, porém possuem alto custo. Os compósitos com reforços descontínuos possuem baixos custos de processamento e de matérias primas. Boas propriedades mecânicas, resistência a abrasão e baixo coeficiente de expansão térmica possibilitam a conformação mecânica do produto através de processos convencionais, como forjamento, extrusão e laminação.
Os compósitos mais estudados nas décadas de 70 e 80 foram os de matriz polimérica, e essa idéia evoluiu com o passar do tempo para os compósitos de matriz metálica e cerâmica, os quais têm sido alvo de muitas pesquisas devido à possibilidade de serem usados em altas temperaturas. Devido à possibilidade de combinação de características de diferentes materiais, os compósitos têm sido alvo de intensas investigações nos últimos 10 anos, e mais recentemente, os Compósitos de Matriz Metálica (CMM) reforçados por partículas, produzidas por metalurgia convencional, com maiores limites de resistência e módulos de elasticidades, melhores resistências a fadiga e desgaste, mesmo perdendo algumas propriedades importantes, como resistência a corrosão e tenacidade (RACK, 1990).
Na maioria das vezes, as propriedades dos materiais compósitos são explicadas através da regra de fases ou lei das misturas, em função do conteúdo do reforço e das propriedades de ambos os constituintes. Em condições ideais, material compósito exibe um
limite superior de propriedades mecânicas e físicas definidas pela equação a seguir (CLYNE, WITHERS, 1993): PC = PM x FM + PR x FR (1) Onde: PC é a propriedade do compósito. PM é a propriedade da matriz. FM é a fração volumétrica da matriz. PR é a propriedade do reforço. FR é a fração volumétrica do reforço.
Costuma-se classificar os compósitos pelo tipo do material da matriz. Atualmente, existem compósitos de todos os tipos e classes de materiais, como: compósitos de matriz polimérica (CMP), compósitos de matriz cerâmica (CMC) e compósitos de matriz metálica (CMM). As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. Quase todos os sistemas de ligas estruturais podem ser usados como materiais de matriz em CMM, mas as mais usadas são Al, Mg e Ti (HUNT, 1988).
2.2 Ligas de Alumínio
Uma excepcional combinação de propriedades faz do alumínio um dos mais versáteis materiais utilizados na engenharia e em construções. Baixo peso específico, embora algumas de suas ligas possuam resistências superiores à ressitência do aço estrutural.
Alta resistência à corrosão sob a maioria das condições de trabalho e formação de sais incolores na superfície, sem manchar ou descolorir produtos com os quais está em contato, tais como: tecidos na indústria têxtil e soluções na indústria química. Não produz reação tóxica. Possui boa condutibilidade térmica e elétrica e alta refletividade, tanto para o calor, como para a luz. Apresenta boa trabalhabilidade e aceita uma grande variedade de acabamento. Leveza é uma das principais características do alumínio. Seu peso específico é de cerca de 2,7 g/cm3. Sua massa é aproximadamente 35% da do aço e 30% da do cobre.
O alumínio comercialmente puro tem sua resistência à tração de aproximadamente 90MPa. Sua utilização como material estrutural nesta condição é um tanto limitada. Através de deformação/transformação do metal, por exemplo, laminação a frio, sua resistência pode ser praticamente dobrada. Aumentos maiores na resistência podem ser obtidos com pequenas
adições de outros metais, como elementos de liga, tais como: manganês, silício, cobre, magnésio, zinco etc. Como o alumínio puro, as ligas podem também ter sua resistência aumentada pelo trabalho a frio.
Algumas ligas, podem ainda apresentar aumento de resistência através de tratamento térmico, tanto que hoje algumas ligas de alumínio podem ter resistência à tração de aproximadamente 700 MPa. O alumínio e suas ligas perdem parte de sua resistência a elevadas temperaturas. Embora algumas ligas conservem boa resistência entre 200 a 260ºC. Em temperaturas abaixo de zero, entretanto, sua resistência aumenta sem perder a ductilidade, tanto que o alumínio é um metal particularmente utilizado em aplicações a baixas temperaturas.
As ligas de alumínio não - tratáveis termicamente são ligas de alumínio nas quais o aumento da resistência mecânica se consegue somente por deformação plástica a frio, enquanto que ligas de alumínio tratáveis termicamente são ligas de alumínio nas quais se consegue o aumento da resistência mecânica através de um tratamento térmico. Para identificar as ligas de alumínio trabalháveis é usado um sistema de designação numérica de quatro dígitos. O primeiro dígito indica o grupo de ligas da seguinte maneira (ABAL, 2004):
a)Alumínio não-ligado de no mínimo 99,00% de pureza,1xxx;
b)Ligas de alumínio, agrupadas segundo o elemento de liga principal:
Cobre ... 2xxx Mangânes... 3xxx Silício... 4xxx Magnésio... 5xxx Magnésio e Silício... 6xxx Zinco... 7xxx Outros elementos... 8xxx Série não utilizada... 9xxx
O segundo dígito indica modificação da liga original ou dos limites de impureza. Os dois últimos dígitos identificam a liga de alumínio ou indicam a pureza do alumínio. No grupo 1xxx, alumínio não-ligado de no mínimo 99,00% de pureza, os dois últimos dígitos da designação indicam os centésimos da porcentagem mínima de alumínio. O segundo dígito da designação indica modificação dos limites das impurezas. O algarismo “0” indica o alumínio
não-ligado que contém impurezas em seus limites naturais ou que não houve um controle especial de um ou mais elementos presentes como impurezas. No grupo 2xxx a 8xxx, os dois últimos dígitos dos quatro da designação são arbitrários, servindo somente para identificar as diferentes ligas do grupo. O segundo dígito caracteriza modificações da liga original.
A tabela do guia técnico do alumínio da Associação Brasileira do Alumínio (ABAL) mostra os limites teóricos da composição química da liga de alumínio AA6061:
Tabela 1
Composição química da liga de alumínio AA6061
Liga Composição (%)
AA 6061
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
0,4- 0,8 0,2 0,15-0,4 0,15 0,8-1,2 0,04-0,35 0,25 0,15 96,54
Fonte :(ABAL, 2004)
Os reforços mais utilizados nos CMM são de material cerâmico. Estes reforços possuem alta dureza e baixa tenacidade à fratura. As características finais do material compósito dependem da fração volumétrica do reforço e da matriz metálica.
Tabela 2
Sistema de classificação da The Aluminum Association Inc., associação dos produtores norte-americanos
Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga
1xxx Alumínio puro - 2xxx Cu Mg , Li 3xxx Mn Mg 4xxx Si - 5xxx Mg - 6xxx Mg , Si - 7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr
8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -
9xxx Reservado para uso futuro -
Fonte: (ABAL, 2004)
A tabela 2 mostra o sistema de classificação da The Aluminum Association Inc., associação dos produtores norte-americanos.
2.3 Compósitos de Matriz Metálica de Alumínio
Os compósitos de matriz metálica (CMM), especificamente os de Al e suas ligas, hoje representam a grande maioria do mercado de compósitos de matriz metálica. As ligas de alumínio possuem, além do metal base, outros elementos, considerados como componentes de liga ou como impurezas.
Os principais elementos de liga são o cobre, o silício, o magnésio e o zinco que determinam as características principais da liga. Adições de cromo, níquel, vanádio, boro, prata, chumbo, bismuto, zircônio e lítio conferem propriedades especiais às ligas básicas, como resistência à corrosão, controle de recristalização ou usinabilidade. Outros elementos, como ferro, titânio, sódio, estrôncio e antimônio são considerados impurezas cuja presença deve ser controlada. Dependendo do grupo de ligas, um elemento que é considerado benéfico em uma liga poderá ser deletério em outra e vice-versa (WEINGAERTNER, SCHOROETER, 1991).
O compósito de matriz metálica, em geral, consiste de pelo menos dois componentes: um obviamente é a matriz metálica e o segundo o reforço (em geral, um componente intermetálico, um óxido, um carboneto ou um nitreto, podendo também ser outro metal). A diferença entre os CMM (compósitos de matriz metálica) e as ligas de duas ou mais fases està na forma de obtenção. Na produção do compósito, a matriz e o reforço são misturados juntos, distinguindo das ligas de duas ou mais fases, onde uma segunda fase é formada através de uma reação eutética ou eutectóide.
Em outras palavras, o CMM é um material obtido por uma mistura mecânica de fases, o que a diferencia da liga convencional obtida por solidificação ou reação no estado sólido como previsto no diagrama de fases. Isto possibilita a adição de diversos materiais em quaisquer frações volumétricas, formas e tamanhos, com diferentes arranjos espaciais na matriz metálica. Esta grande flexibilidade microestrutural permite projetar um CMM com propriedades desejadas e únicas, lançando-se mão da conjugação das propriedades dos materiais que o compõe (YOSHIMURA, 1994).
A ideia básica dos CMM é combinar a excelente ductilidade e conformabilidade da matriz metálica com a elevada resistência dos materiais de reforço, seja para promover maior dureza às estruturas metálicas, ou para conferir leveza às estruturas utilizadas na indústria aeronáutica e aeroespacial (MISHRA et al, 1999).
Ligas de Al e Mg, com baixos conteúdos de Si, e reforçados com SiC que é termodinamicamente instável acima do ponto de fusão da matriz, reage com a mesma para formar o Al4C3 através da seguinte reação (WARREN; ANDERSSON, 1984):
4 Al + 3SiC Al4C3 + 3Si (2)
Entretanto essa reação não ocorre para temperaturas abaixo de 650 °C. (LEGOUX, L’ESPÉRANCE, SUÉRY, 1990).
Através desta reação se observa um incremento sensível no nível de Si na matriz, que ocorre devido ao avanço da reação, e por sua vez, pode favorecer a diminuição do ponto de fusão do compósito com o tempo de reação. A reação da formação do carbeto pode ser evitada através da utilização de altos conteúdos de Si na matriz. Este carbeto é conhecido pela sua fragilidade e instabilidade, degradando as propriedades mecânicas do compósito (LACOM, DEGISCHER, SCHULZ, 1997).
Na metalurgia do pó, em que a consolidação dos materiais ocorre no estado sólido, à formação do Al4C3 não é um fator a ser considerado, pois este se encontra estável abaixo da temperatura do solidus (ponto da curva do diagrama de fase o qual uma dada substância se apresenta completamente sólida, ou seja, cristalizada). Portanto, são os processos de fabricação que envolve metal líquido, os que são propensos a este tipo de reação, desde que exista contato entre o reforço e a matriz que se encontra no estado líquido. As considerações termodinâmicas mostram uma tendência para que a formação da reação ocorra, sendo que a cinética e a velocidade da reação são os fatores de maior importância prática. A cinética da reação partícula/matriz pode ser modificada de várias formas, mas geralmente utiliza-se o revestimento da partícula, pois esta camada tende a modificar e/ou diminuir esta reatividade (LEE etal, 1999).
Quando se pensa na produção desses compósitos utilizando-se a técnica de metalurgia do pó deve-se levar em consideração que se utiliza pós de ligas de alumínio relativamente finos (tamanhos de partículas entre 10 e 20 µm). Por isso o processo de produção dos pós é muito importante, pois a partir daí pode-se obter um pó de alumínio com uma faixa de distribuição granulométrica mais estreita, maior ou menor quantidade de elementos de liga em solução sólida, maior quantidade de precipitados (GERMAN, 1984).
2.4 Metalurgia do Pó
Metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em transformar pós de metais, metaloides ou ligas de metálicas e, às vezes também substâncias não metálicas, em peças resistentes, sem recorrer-se à fusão, mas apenas pelo emprego de pressão e calor. O processo envolve, em princípio, as seguintes etapas fundamentais: 1) misturas de pós; 2) compressão da mistura resultante, com emprego de moldes (matrizes), essa etapa é chamada de “compactação”; 3) Aquecimento do compactado resultante, de modo a produzir-se uma ligação entre partículas e conferir-se resistência mecânica ao compactado - é a sinterização (CHIAVERINI, 1986).
Entre os produtos que são exclusivos de metalurgia do pó incluem-se os seguintes: metais refratários, tais como W, Mo e o Ta; metal duro ou carbonetos de metais como o W, Ta e Ti; aglomerados com cobalto; mancais porosos autolubrificantes, de bronze ou ferro; filtros metálicos de bronze; discos de fricção metálicos à base de cobre ou ferro, misturados com substância de alto coeficiente de atrito; certos tipos de contatos elétricos como Ag, W-Cu, Mo-Ag e Mo-Cu; escovas coletoras de correntes de diversas composições.
Entre outros produtos que são mais eficientes e economicamente fabricados por metalurgia do pó incluem-se os seguintes: peças de forma relativamente complexa e de grande precisão dimensional de ferro e aço, cobre e suas ligas e outros metais e ligas, utilizadas em grande escala nos mais variados setores de máquinas, veículos e equipamentos, certos tipos de imãs permanentes (CHIAVERINI, 1986).
A simples enumeração dos produtos acima demonstra a importância adquirida pela técnica na indústria moderna e as vantagens que o processo apresenta em relação às técnicas metalúrgicas convencionais: produção de peças de metais refratários, obtenção de efeitos estruturais especiais (porosidade controlada em buchas autolubrificantes e filtros metálicos), combinações de substâncias metálicas com materiais não metálicos (materais de fricção e escovas coletoras), obtenção de materiais onde os constituintes metálicos ou não metálicos continuam a conservar suas características físicas individuais (discos de fricção e contatos elétricos), produção mais econômica de peças de grande precisão de forma e dimensões (CHIAVERINI, 1986).
Outras vantagens do processo residem nos seguintes pontos: controle rigoroso da composição do material e eliminação ou redução a um mínimo das impurezas introduzidas pelos processos metalúrgicos convencionais; operação em atmosfera rigorosamente controlada ou em vácuo; redução ou eliminação das perdas de material ou produção de sucata;
maior rapidez e maior economia de fabricação. A desvantagem da técnica é a capacidade das prensas que limita o tamanho das peças fabricadas (CHIAVERINI, 1986).
As matérias primas na metalurgia do pó são pós metálicos e não metálicos cujas características tecnológicas influem não só no comportamento do pó durante o seu processamento, como também nas qualidades dos produtos sintetizados. Essas características que devem ser conhecidas e controladas são as seguintes: tamanho de partículas, forma da partícula, porosidade da partícula, estrutura da partícula, superfície especifica, densidade aparente, velocidade de escoamento, compressibilidade e composição química (CHIAVERINI, 1986).
A figura 2 ilustra a sinterização convencional de pós de alumínio mostrando a formação de uma rede semi-contínua de óxido que pode fragilizar o sinterizado.
Figura 2 - Desenho esquemático da sinterização convencional de pós de alumínio Fonte: (MOURISCO, 1995).
Na compactação de componentes de alumínio há a formação de contatos (metálicos, ou metal-cerâmicos no caso dos compósitos). No aquecimento os contatos metal-metal (Al-Al, Al-Cu e etc) dão origem à fase líquida. Durante o aquecimento prévio à sinterização há um período de queima do lubrificante que não deve ser feito a temperaturas altas e ainda com baixa taxa de aquecimento; após esse período a taxa de aquecimento deve ser alta para minimizar as mudanças dimensionais (MOURISCO, 1995).
2.5 Moagem de alta energia (MAE)
Mechanical Alloying (MA) ou Moagem de Alta Energia (MAE) é um processo de
moagem que ocorre no estado sólido que envolve repetidas soldas, fraturas e ressoldas de partículas de pó em moinhos de bolas de alta energia. Originalmente desenvolveu-se na indústria aeroespacial para produzir superligas à base de níquel e ferro por meio de dispersão de óxidos capaz de produzir uma variedade de ligas a partir de mistura de pós-elementares. As fases de não equilíbrio sinterizados incluem soluções sólidas supersaturadas, fases metaestáveis cristalinas e quasicristalinas, nanoestruturas e ligas amorfas.
Recentes avanços nestas áreas e na síntese mecanoquímica de materiais estão provocando revisão crítica após discutir as variáveis envolvidas na mechanical alloying. Este processo modifica a morfologia da liga AA6061 originalmente, esférica para uma morfologia equiaxial, mais propícia para o processo de conformação, pois evita a formação de propriedades direcionais (SURYANARAYANA, 1987).
Jonh Benjamin e seus colegas no laboratório da International Nickel Company (INCO) desenvolveram o processo por volta de 1966. A técnica foi o resultado de uma longa busca para a produção de superliga a base de níquel para aplicações de turbina a gás. Onde essas ligas deveriam apresentar os seguintes requisitos: resistência à alta temperatura, resistência à corrosão e resistência à oxidação. O tamanho das partículas usadas em moagem de alta energia pode variar de 1 a 200 microns. Este tamanho diminui exponencialmente com o tempo de moagem (SURYANARAYANA, 1987).
As principais variáveis do processo de moagem de alta energia são: tipo de moinho, recipiente de moagem, velocidade, tempo, tamanho e distribuição das bolas, relação de peso bola/pó, tamanho do frasco, atmosfera, agente de controle de processos e temperatura.
Como nas fases iniciais de moagem, as partículas ainda estão pouco deformadas (se estiver usando material dúctil-dúctil ou dúctil-frágil), tendendo a se aglomerarem e formar grandes partículas. As partículas, nesta fase, possuem estrutura em camadas consistindo de várias combinações dos constituintes iniciais.
Com a deformação contínua, as partículas começam a endurecer e fraturar por fadiga e/ou pela fragmentação frágil. Os fragmentos gerados por este mecanismo podem continuar a diminuir de tamanho com a fratura predominando sobre a solda fria.
Devido ao impacto continuado de bolas de moagem, a estrutura das partículas é constantemente refinada. Boa parte da energia é perdida na forma de calor e uma pequena quantidade é utilizada na deformação elástica e plástica (SURYANARAYANA, 1987).
Figura 3 - Evolução da morfologia esférica para morfologia equiaxial de uma partícula submetida ao processo de Moagem de Alta Energia (MAE).
Fonte: (BENJAMIN 1974).
Diferentes tipos de moinho de alta energia são utilizados para produzir pós. Eles apresentam diferentes capacidades de moagem e podem ser equipados com resfriamento, aquecimento, etc; uma breve descrição de alguns deles a seguir (SURYANARAYANA, 1998).
2.5.1 Spex Shaker Mills (Moinho Agitador Spex)
Capacidade = 10 a 20 gramas;
Fins = pesquisa;
Fabricados por Spex Certprep, Metuchen, NJ;
A variedade mais comum possui uma jarra contendo a amostra e bolas oscilando energicamente para trás e frente, milhares de vezes por minuto;
O movimento de vai-e-vem de agitação é combinado, com os movimentos laterais das extremidades do tubo, de modo que a jarra parece estar descrevendo o nº 8;
Devido à amplitude (cerca de 5 cm) e velocidade (cerca de 1200 rpm), as velocidades das esferas são altas (da ordem de 5 m/s) e consequentemente, a força do impacto da bola é extraordinariamente grande; portanto, pode ser considerado como de alta energia;
O projeto mais recente tem previsão para a moagem em dois frascos para aumentar o rendimento, incorporando arrefecimento para permitir longos tempos de moagem;
Uma variedade de materiais do frasco está disponível para o Spex e estas incluem aço temperado, alumina, carboneto de tungstênio, zircônio, aço inoxidável, de nitreto de silício, ágata, plástico e metacrilato.
Figura 4 - Moinho agitador do tipo Spex utilizado em moagem de alta energia. Fonte: /www.elvatech.com/en/catalog/materials acessado em 08/04/2012 às 11:29
2.5.2 Moinho planetário (Pulverisette)
O Moinho Planetário ou Pulverisette tem capacidade para processar algumas centenas de gramas do pó, fabricados por Fristsch GMBH (Alemanha), comercializado por Gilson Co, EUA e Canadá, seu nome alude ao movimento (dos jarros) dos Planetas.
São fabricados com ágata, nitreto de silício, corundun sinterizado, zircônia, aço cromado, aço Cr-Ni, carboneto de Tungstênio e plástico de poliamida. Mesmo que a
velocidade linear das bolas neste tipo de moinho seja maior do que no Spex, a frequência de impactos é muito maior no Spex, assim, em comparação ao Spex, o moinho Fritsch Pulverisette pode ser considerado de baixa energia.
Figura 5 - Moinho Pulverisette típico usado em Moagem de Alta Energia equipado com 07 (seis) estações de moagem.
Fonte: <http://www.alemmar.com.br>. Acessado em: 08/04/2012 às 11:01
2.5.3 Moinho Atritor
O Moinho Atritor consiste de um tambor rotativo horizontal preenchido pela metade com pequenas esferas de aço. A taxa de moagem aumenta com a velocidade de rotação. Consiste em um cilindro vertical com uma série de impulsores dentro dele. Sua capacidade varia de 0,5 kg a 40 kg, fabricado pela Akron.
A velocidade é muito menor (cerca de 0,5 m/s) do que no Fritsch ou moinhos Spex e, consequentemente, a energia do Atritor é baixa. Os recipientes (jarras) estão disponíveis em aço inoxidável ou aço inoxidável revestido com alumina, carboneto de silício, nitreto de silício e zircônia. Uma variedade de meios de moagem também: pedras, esteatito, mulita, cerâmica, carboneto de silício, nitreto de silício, sialon, alumina, zircônia, silicatos, aço inoxidável, aço carbono, aço cromo e tungstênio.
Figura 6. Moinho atritor típico.
Fonte:http://www.willmaquinas.com.br. Acessado 08/04/12 às 10:50
A forte deformação mecânica experimentada pelos pós durante a moagem de alta energia conduz a defeitos cristalinos. Outro importante parâmetro reside no fato de que a temperatura durante a moagem depende da energia cinética das bolas que pode influenciar as características finais do pó moído. Temperatura alta está associada à alta difusividade (alta mobilidade atômica), em outros casos a fase estável pode ser formada. Por outro lado se a temperatura é baixa poderá ajudar a formação da fase amorfa (nanocrsitalina).
2.6 Compósitos de Matrizes Metálicas de Alumínio por Metalutgia do Pó
Compósitos de Matriz Metálica (CMM) estão sendo investigados por causa das suas propriedades superiores em relação aos materiais convencionais. A fim de melhorar o comportamento mecânico e térmico final dos Compósitos de Matriz de Alumínio (CMA) utiliza-se a dispersão de reforços tais como intermetálicos, carbetos ou nitretos em ligas de alumínio. Atualmente os dois maiores fatores limitantes na aplicação desses materiais são o alto custo e as reações de interface reforço/matriz que ocorrem durante o processamento e em altas temperaturas de serviço (ADAMIAK, et al, 2006).
O processamento de CMA via Metalurgia do Pó (MP) contribui para a boa distribuição do reforço, sem os problemas de segregação dos compósitos fundidos. A extrusão a quente propicia uma alta coesão entre as partículas (FOGAGNOLO, ROBERT,
TORRALBA, 2006).
Os compósitos de matriz metálica podem apresentar propriedades únicas em comparação com os materiais tradicionais, bem como o potencial de novas aplicações. A aplicabilidade destes materiais baseia-se na melhoria da resistência em altas temperaturas e resistência ao desgaste, principalmente quando comparado com as ligas convencionais, sem reforço. Os compósitos dos grupos AA2XXX, AA6XXX e AA7XXX são usados em aplicações onde a boa característica mecânica e baixo peso específico são desejados (LINDROOS, 1995).
Compósitos reforçados com partículas de cerâmica (Al2O3, SiC) estão sendo gradualmente implementados para a produção nos setores automotivo, eletrônico e de aeronaves, sobretudo devido à alta resistência ao desgaste. No entanto, a obtenção de um material com melhor propriedade mecânica exige reforços termodinamicamente estáveis, menos suscetíveis a rachaduras e bem ligados a matriz. (TJONG, 2000).
Devido às suas propriedades, tais como: alta resistência, dureza, condutividade térmica e coeficiente de dilatação térmica, o nitreto de alumínio (AlN) é cada vez mais usado como fase de reforço em liga de alumínio (LEE, LEE, ZHENG, 2007).
Uma vantagem desse reforço é que não ocorre a reação entre o alumínio e AlN, ao contrário do sistema Al-SiC, onde uma fase Al4C3 pode ser formada (DYZIA, OELEZIONA, s/d).
As principais vantagens da Metalurgia do Pó na fabricação de CMM são: a) Uso temperatura mais baixa diminui o risco de reação química entre a matriz e a fase de reforço; b) A temperatura mais baixa permite uma considerável ecomonia; c) Possibilidade de incorporar diversos tipos de matrizes e de reforço no mesmo sistema composto; c) Maior fração de partículas de reforço poder ser incluída na composição quando comparado com as limitações reológicas no processo de fundição (GHEORGHE, 2000).
Sobre o processo de produção de pós por atomização, especificamente sobre os pós de alumínio, observe o que dizem Camey e Tsakiropoulos (CARNEY etal, 1990) “Num processo de solidificação de uma partícula de pó de tamanho 15 µm, o tempo de solidificação é menor do que 1,5 ms e que mesmo em atmosferas controladas onde os teores de oxigênio são muito baixos, ocorre a formação de uma camada de óxido que recobre cada partícula. A partir do momento que essas partículas são expostas à atmosfera, ocorre a ainda a formação de outros produtos nessa superfície e principalmente devido à hidratação desse óxido superficial ocorre a formação de óxidos de alumínio, tais como Al203.H2O e Al2O3.3H20 de acordo a figura a seguir (CARNEY, et al., 1990).
Figura 7 - Desenho esquemático de uma partícula de pó de alumínio mostrando o filme de óxido que recobre cada partícula. Fonte: (CARNEY, et al., 1990).
2.7 Aplicações dos compósitos de matrizes metálicas de Alumínio por MP
Além da indústria aeronáutica e aeroespacial americana, a Toyota do Japão no início da década de 60, passou a pesquisar esses materiais e terminou por lançar, entre outros componentes, pistões de veículos automotores onde a cabeça é reforçada por fibras de alumina; bielas que poderiam resistir as mais elevadas temperaturas de trabalho e ainda tendo paredes mais finas que reduzem o peso e aumentam o rendimento dos motores.
Atualmente a Honda do Japão faz pesquisas com o intuito de substituir partes de blocos de motores que utilizavam ferros fundidos por CMM reforçados por fibras de alumina e carbono (BACON, 1989).
A Alcan passou a pesquisar e desenvolver esses materiais e atualmente produz CMM de alumínio sendo que o mais conhecido é o Duralcan que consiste de matrizes de alumínio reforçadas por partículas de SiC ou Al2O3 (BEGG, 1992).
Até o ano de 1988 três sistemas MMC-Al eram considerados como em uso comercial: fibras de alumina reforçando matrizes de alumínio em pistões de automóveis, alumínio reforçado por partículas de SiC em sistema de guia de mísseis e alumínio reforçado por fibras de boro e/ou borosilicatos para componentes de foguetes. (CORNIE et al, 1989).
Palhetas de turbinas que trabalham na faixa de 650 °F têm sido fabricadas em liga de alumínio (Al-Fe-Ce, ALCOA), produzidos por Metalurgia do Pó. Essas turbinas têm aplicação automotiva em motores turbos e foram desenvolvidas por Garret/Ford - EUA e mostram entre
outras propriedades, faixas de temperaturas de uso mais elevadas e maiores limites de fadiga (MILLAN JUNIOR, 1982).
Folhas de ligas de alumínio de 6350 x 1370 x 2,28 mm têm sido produzidas por Lockheed-Georgia Aeronautics (EUA) para serem utilizadas em tetos de aviões de carga do modelo C-130 (FROES, 1991).
Segundo a Aerosospace specificacion Metal (ASM) as principais aplicações para a Liga AA6061 T6 e AA6061 T651 estão abaixo relacionadas (ASN, 2011):
Acessórios de aeronaves;
Acessórios na indústria marítima;
Acessórios e conectores elétricos;
Pistões de freio;
Pistões hidráulicos;
Quadros de bicicletas.
Os principais elementos de liga presente nas ligas de alumínio atuam de acordo com a tabela a seguir, segundo Kottaus (1972):
Tabela 3
Principais elementos de liga presente nas ligas de alumínio
Elementos Efeito
Silício (Si) Melhora a fundibilidade; encontrado em % maiores nas ligas fundidas. Melhora a endurecibilidade; em quantidade menores também é encontrada nas ligas conformadas.
Magnésio (Mg)
Melhora a resistência contra a corrosão marinha. Aumenta a resistência mecânica. Favorece o endurecimento das ligas contendo Si ou Cu. É adicionado às ligas fundidas e conformadas.
Cobre (Cu) Melhora a resistência mecânica; é responsável pela endurecibilidade; diminui a resistência à corrosão, principalmente nas ligas conformadas.
Zinco (Zn) Aumenta a resistência mecânica; favorece a endurecibilidade; diminui a resistência á corrosão.
Mangânes (Mn)
Em quantidade pequena é adicionada a quase todas as liga.Diminui o efeito negativo do ferro, geralmente contida no alumínio sob forma de impurezas.Aumenta a temperatura de recristalização(temperatura mínima em que irá ocorrer uma recristalização completa dentro aproximadamente uma hora.
Cr (Cr) Efeitos semelhantes ao manganês.
Titânio (Ti) Origina redução do tamanho dos grãos da estrutura. Fonte: (KOTTAUS, 1972).
A função de cada elemento químico que faz parte da composição da liga de alumínio depende da quantidade dos elementos presentes na liga, como também da interação com os demais elementos. Para a liga de alumínio AA6061 os elementos principais de liga são o magnésio e o silício (KOTTAUS, 1972).
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Esse capítulo tem como escopo descrever sucintamente o método, a técnica e o processo utilizado na pesquisa, para isso foram registradas as características técnica mais importante do método instrumental (aparelhos, equipamentos etc) e os passos fundamentais para consecução do presente trabalho.
Inicialmente, o pó recebido para pesquisa da liga AA6061, dos reforços de nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de alumínio (AlN) foram caracterizados individualmente a fim de determinar as composições químicas, estruturas, microestruturas e granulometrias.
Após essa etapa, procedeu-se o processamento dos pós utilizando-se a técnica de Metalurgia Pó (MP) por meio de moagem de alta energia (MAE) com fração em massa de 5, 10 e 15% de cada reforço (Si3N4 e AlN) separadamente; fazendo o uso de tempo de moagem de 30 e 60 minutos. Para caracterizar a microestrutura e a composição química qualitativa foram utilizadosa Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) equipado com Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS); a investigação das fases formada, após a moagem de alta energia, foi realizada por Difração de Raios-X (DRX) e os ensaios granulométricos foram feitos por Difração a Laser (DL).
O pó processado foi submetido à compactação uniaxial obtendo-se disco de compactado verde. Para determinar a densidade do compactado verde empregou-se o método geométrico utilizando a relação massa/volume por meio de uso de balança analítica de precisão com 03 (três) casas decimais e paquímetro digital.
As amostras de compactado verde foram submetidas a uma taxa de aquecimento de 20ºC/min durante 25 minutos atingindo a temperatura de 500 ºC durante 5 horas; Após o aquecimento, ou seja, a sinterização propriamente dita, as amostras foram resfriadas até a temperatura ambiente de 25ºC durante 48h produzindo uma taxa de resfriamento lento de 0,174ºC/min.
As pastilhas sinterizadas foram seccionadas utilizando-se uma máquina de corte de precisão da marca Buelher, modelo Isomet; utilizou-se também uma máquina de corte (cut-off ou policorte) fabricada pela Arotec, modelo COR-40 para particionar algumas amostras sinterizadas que não foram cortadas na Isomet.
Após o corte, as pastilhas em formato de discos foram embutidas e lixadas nas granas 220, 320, 400 e 600 em lixadeira da marca Arotec modelo APL-4 e posteriormente polidas em máquina Politriz da marca Arotec, modelo Aropol com tecido de feltro e agente polidor tipo pasta de diamante com granulometria de 1µm (um micron). Após o polimento
