INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DO TEMPO NOS PROCESSOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO (T6) DE UMA NOVA LIGA AL4,8%CU RECICLADA

INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DO TEMPO NOS

PROCESSOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO (T6) DE

UMA NOVA LIGA AL4,8%CU RECICLADA

¹Ronan Miller Vieira*, ¹Eric Moraes Romagna, ¹Christian Mariani Lucas dos Santos, ¹Estéfano

Aparecido Vieira, ¹Andre Itman Filho

¹PROPPEM – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Instituto

Federal de Ciências, Educação e Tecnologia do Espírito Santo – IFES, Vitoria, Espírito Santo

*ronan.muller.vieira@gmail.com

RESUMO

Ligas de alumínio destinadas aos processos de tixoconformação, geralmente são submetidas ao tratamento térmico de solubilização seguido por envelhecimento artificial, ou seja, T6. Trata-se de uma das principais vantagens deste processo em relação à fundição convencional. Neste trabalho o objetivo foi investigar os parâmetros operacionais para maximizar as propriedades mecânicas de uma nova liga de Al contendo 4,8% de Cu. A liga foi desenvolvida a partir da mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas do processo de reciclagem de latas de alumínio. Depois da etapa de fusão e solidificação em molde permanente metálico, amostras foram solubilizadas a 5250C por 6h e resfriadas bruscamente em água. Tratamentos de envelhecimento natural e artificial foram feitos com acompanhamento da dureza. Fez-se também o registro da evolução microestrutural das amostras. O envelhecimento artificial foi feito nas temperaturas de 180, 260 e 350°C, em intervalos de tempo variando de 30 minutos a 6 horas. Os resultados obtidos mostram que há um aumento significativo na dureza das amostras envelhecidas naturalmente, e que a associação de temperaturas e tempos utilizados nos tratamentos de envelhecimento artificial levou a uma condição de superenvelhecimento, com queda na medida de dureza.

1. INTRODUÇÃO

O interesse nas propriedades mecânicas e reológicas de ligas no estado semi-sólido (ESS) teve início na década de 70 através dos estudos realizados por Spencer, Mehrabian e Flemings [1]. Naquele trabalho estudava-se o comportamento reológico de ligas Sn-15Pb durante a solidificação. Assim foi criado um modelo para avaliar a viscosidade das ligas parcialmente solidificadas [ 2 ]. A partir dos resultados obtidos percebeu-se que a conformação de peças no estado semi-sólido com microestrutura globular poderia trazer redução dos esforços mecânicos de conformação necessários, quando comparado com uma microestrutura dendrítica. A Figura 1 apresenta os exemplos típicos de microestrutura dendrítica e globular para uma liga de alumínio A356 obtidas em um trabalho

recente desenvolvido na Universidade de Ciência e Tecnologia de Beijing, China [3].

Atualmente para os processos de conformação de ligas no ESS dá-se o nome de tixoconformação [4]. A liga que mais tem sido utilizada para este fim são as do tipo Al-Si. Em especial há de se destacar as ligas A356 e A357. No caso, destas ligas, a conformação no ESS, além de trazer benefícios durante o processo traz também melhores propriedades mecânicas finais, inclusive maior resistência a fadiga, o que acabou por consolidar a aplicação destas na indústria automobilística. Alguns trabalhos demonstram que produtos tixoconformados exibem propriedades mecânicas superiores aos produtos fundidos ou injetados sob pressão [4-8], conforme mostra a Tabela 1 em alguns casos as propriedades são muito próximas às dos produtos forjados

[4]

.

Figura 1. Microestruturas para liga A356 (a) Dendrítica (b) Globular [3].

Tabela 1: Propriedades mecânicas da liga A356-T6 obtidas por diferentes processos de

conformação.

*L.E. (MPa) **L.R. (MPa) Alongamento (%)

“Squeeze casting” (9) 265 309 5

Molde permanente (4) 186 262 5

Fundição em areia (4,8) 150 180 3

SS (globular) (8) 257-280 318-344 6-13

*L.E.: Limite de escoamento **L.R.: Limite de resistência

O estudo e desenvolvimento de ligas para tixoconformação requer pesquisas basicamente em três grandes áreas: evolução microestrutural, reologia associada às condições de fluxo e comportamento mecânico das ligas tixoconformadas.

Por outro lado, é sabido que a fabricação de ligas tais como a A356 e a 2024

são oriundas de matérias primas com elevada pureza, logo, de custo elevado. Tal fato é justificado em especial pelo controle do teor de Fe, elemento muito prejudicial às ligas de alumínio que não pode ser removido por meios economicamente viáveis restando apenas à onerosa opção de diluição quando deseja-se reduzir sua concentração. E neste contexto, o Brasil é um dos grandes

consumidores de latas de alumínio para acondicionamento de bebidas. As ligas das latas de alumínio basicamente compõem-se de uma mistura da liga 3004, 5182 mais contaminantes. Seu ciclo através da reutilização para fabricação de novas latas é interessante, mas, por outro lado, é limitado. As latas de alumínio possuem uma composição química peculiar a qual não é possível adaptar nenhuma outra liga. Se esta matéria prima pudesse ter aplicações mais nobres, como na indústria automobilística, talvez seja possível ampliar o uso e agregar valor. Este trabalho é parte de um projeto que objetiva fundir, conformar, tratar termicamente e desenvolver uma rota de fabricação de uma nova liga para processamento no ESS. Uma nova liga contendo 4,8% de Cu foi elaborada a partir da mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas do processo de reciclagem de latas de alumínio. Estudaram-se possíveis rotas para maximização das propriedades mecânicas.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O objetivo do trabalho foi encontrar tratamentos térmicos que maximizassem as propriedades mecânicas da nova liga Al4,8%Cu. Assim, uma placa foi fundida a partir da fusão de latas de alumínio acrescentando-se 4,8% de Cu. A primeira etapa foi realizar a fusão das latas de alumínio. Cerca de 6 kg de latas foram aquecidas dentro de um cadinho de carbeto de silício, a uma temperatura de 680ºC em um forno de indução da marca inductotherm-100kVA. Para melhorar a recuperação do alumínio metálico da drosse formada adicionou-se cerca de 15% em peso de uma mistura equimolar de NaCl e KCl sobre a superfície do metal líquido, o aluminio foi vazado em coquilhas de aço gerando assim lingotes de alumínio conforme é mostrado na

Figura 2d. A Figura 2 mostra também outros detalhes para esta etapa.

Figura 2. Cadinho de carbeto de silício (a),

coquilha de aço (b), forno de indução inductotherm-100kVA(c), lingote de alumínio reciclado (d), placa obtida (e) e coquilha de alumínio utilizada para produção de placas (f).

Tabela 2: Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média

obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu.

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Mistura obtida

0,25 0,60 0,11 0,81 1,66 0,02 0,03 0,024

Nova liga

A partir dos lingotes, programou-se uma nova fusão com o objetivo de elaborar uma nova liga contendo 4,8% de Cu. Após a refusão, a liga foi desgaseificada com pastilhas de hexacloretano (C2Cl6). Tal

procedimento favoreceu a remoção de óxidos e o gás H dissolvido no banho. Após este procedimento adicionou-se o cobre metálico. Além disso, foi adicionado também 0,5% em peso da massa total de Al5%Ti1%B (tiboral) com objetivo de favorecer o refino dos grãos formados. A liga foi então vazada em uma coquilha de aluminio obtendo-se assim uma placa. A composição química final está na Tabela 2.

A placa obtida foi solubilizada a 525ºC, durante 6 horas, conforme já explicado, o objetivo é encontrar o melhor tratamento térmico que maximize as propriedades mecânicas da nova liga Al4,8%Cu. Após a etapa de solubilização, amostras foram submetidas a um processo de envelhecimento artificial (T6) e natural. As

temperaturas de envelhecimento estudadas foram de 180, 260, 350ºC. O acompanhamento da eficiência do tratamento térmico foi feito através de medições de dureza Brinell para os tempos de 30, 60, 120, 180, 240, 300 e 360 minutos. Para a amostra envelhecida naturalmente mediu-se a dureza no decorrer de 26 dias.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 3 mostra as típicas microestruturas obtidas para o lingote fundido a partir das latas recicladas. Baseando-se na morfologia e distribuição dos mesmos por toda microestrutura percebe-se a presença predominante de pelo menos três tipos de precipitados, estes provavelmente possuem Fe, Si, Mg e Al em sua composição. Uma análise mais acurada por microscopia eletrônica de varredura e micro análise por energia dispersiva (EDS) pode ajudar na correta identificação dos precipitados.

Figura 3. Típicas microestruturas brutas de fusão para liga de lata de alumínio reciclada

A Figura 4 apresenta a nova liga de alumínio com adição de 4,8% de Cu. Comparando-se com as Figuras 3(b,c), as micrografias sugerem que houve um aumento significativo da fração volumétrica de precipitados, estes por sua vez preferencialmente presentes nos contornos de grão. Devido ao aumento da concentração de Cu espera-se a formação dos precipitados do tipo Al2Cu. Após a etapa de solubilização,

podemos observar que houve um aumento no tamanho de grão com uma redução discreta dos precipitados. Dois aspectos podem explicar este resultado: o primeiro corresponde à saturação do Al primário que não aceita a excessiva presença de átomos em solução, o segundo é a presença de

precipitados insolúveis, provavelmente com a presença de Fe em sua composição. Estes tipos de precipitados permanecem na liga mesmo após o tratamento de solubilização, geralmente possuem morfologia acicular e por isso trazem efeitos negativos para as propriedades mecânicas [5].

Embora a Figura 4 não evidencie claramente a solubilização de precipitados no tratamento térmico de solubilização, porém, a dureza elevou-se em 17% quando comparada com a liga bruta de fusão, como mostra a Tabela 3. Isto mostra que o tratamento foi eficaz, mas, pode ser melhorado. Para isto, pode-se aumentar o tempo e a temperatura de solubilização.

Tabela 3. Dureza da liga obtida da refusão de latas e da nova liga Al4Cu sob diferentes

condições.

LIGA DUREZA (HB)

Lata bruta de fusão 57

Al4,8Cu bruta de fusão 95

Al4,8Cu Solubilizada 111

Figura 4.

de 4,8% de Cu (a) e após o tratamento térmico de solubilização a 5300C por 6h (b).

Figura 5. Curvas de envelhecimento para nova liga reciclada com 4,8% de Cu (a) natural (b)

A dureza da amostra relativa ao envelhecimento natural foi monitorada por 26 dias. A Figura 5a mostra que a dureza máxima ocorre 18 dias após o tratamento de solubilização, seguindo uma tendência constante nos dias seguintes. Nas amostras do segundo grupo, conforme mostra a Figura 5b, em todas as combinações de tempo e temperatura de envelhecimento artificial levaram a uma diminuição da dureza. Isto ocorreu provavelmente devido ao superenvelhecimento das amostras e a formação de precipitados incoerentes. De um modo geral verifica-se que o aumento da temperatura e do tempo favoreceu o decréscimo da dureza. Conclui-se que vários fatores em conjunto colaboraram para este resultado. O primeiro seria relativo a temperatura e o tempo utilizados para promover a solubilização da liga. Outro aspecto é o tempo e as temperaturas de envelhecimento utilizadas. Ambos podem ser reduzidos objetivando melhorar as curvas de evolução da dureza.

4. CONCLUSÕES

Para uma liga Al4,8%Cu, o tratamento de solubilização a 525°C durante 6 horas aumenta dureza significativamente sob envelhecimento natural com pico de dureza em 18 dias.

Para as condições estudadas, as temperaturas de envelhecimento superiores a 180°C, aliadas há tempos maiores que 30min causam superenvelhecimento reduzindo a dureza da liga solubilizada.

A estrutura da nova liga reciclada a partir de latas de alumínio com 4,8% de Cu mostra a presença de precipitados de diferentes naturezas, estes por sua vez não se dissolveram com facilidade nas condições estudas o que pode ter colaborado para o baixo efeito do tratamento térmico T6.

5. REFERÊNCIAS

[01] SPENCER, D. B., MEHRABIAN, R., FLEMINGS, M.C.: Rheological Behavior of Sn-15%Pb in the

Crystallization Range. Metallurgical

Transactions, v.3, 1925-1932, 1972.

[02] FAN, Z.: Semisolid metal processing,

International Metal Reviews, v.47,

1-37, 2002.

[03] WEI-MIM, M., QIU, Z., D’A-PING, Z.: Rheo-squeeze casting of semi-solid A356 aluminum alloy slurry,

Transactions of Nonferrous Metals Societ of China, v. 20, 1760-1773,

2010.

[04] KIRKWOOD, D. H.: Semisolid metal processing, International Materials

Review, v. 39, 173-189, 1994.

[05] ATKINSON, H.V., KAPRANOS, P., KIRKWOOD, D.H.: Alloy development for thixoforming. 6th

Int. Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin,

Italy, 443-450, 1998.

[06] BIERI, B., UGGOWITZER, P.J., SPEIDEL, M.O., INWINKELRIED, T.: LAGEMANN, JL; GABATHULER, J.P.: Influence of process parameters on the microstructure and the mechanical properties of thixoformed plates.: Thixoforming of AlSi7Mg microstructure and properties. 5th

Int. Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Colorado,

USA, 531-538, 1998.

[07] CHIARMETTA, G.: Thixoforming of automobile components. 4th Int.

Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Sheffield,

England, 204-207, 1996.

[08] STUCKY, M., RICHARD, M., SALVO, L., SUÉRY, M.: Influence of electro-magnettic stirring, partial remelting and thixoforming on mechanical properties of A356 alloys. 5th Int.

Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Colorado,

USA, 513-520, 1998.

[09] HAIZHI, YE: An overview of the development of Al-Si-Alloy based material for engine applicantions,

Journal of Materials Engineering an Performance, v. 12-3, 288-297,

2003.