UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
André Marcon Zanatta
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO E DO TIPO DE REFORÇO NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS A BASE DE LIGAS DE ALUMÍNIO
OBTIDOS VIA METALURGIA DO PÓ
Apresentada em 13 / 11 / 2007 Perante a Banca Examinadora:
Dr. César Edil da Costa – Presidente (UDESC)
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: ANDRÉ MARCON ZANATTA – Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. CÉSAR EDIL DA COSTA
CCT/UDESC – JOINVILLE
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO E DO TIPO DE REFORÇO NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS A BASE DE LIGAS DE ALUMÍNIO
OBTIDOS VIA METALURGIA DO PÓ
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA
OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA
CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS
TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. CÉSAR EDIL DA COSTA.
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
"Influência do Tratamento Térmico e do Tipo de Reforço nas
Propriedades de Compósitos a Base de Ligas de Alumínio Obtidos Via
Metalurgia do Pó"
PorAndré Marcon Zanatta
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. César Edil da Costa (presidente)
Banca Examinadora:
Dr. Julio César Giubilei Milan Co-orientador - UDESC
Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: ZANATTA, André Marcon
DATA DEFESA: 13/11/2007
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 85 – CCT/UDESC
FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais
TÍTULO: Influência do Tratamento Térmico e do Tipo de Reforço nas Propriedades de Compósitos a Base de Ligas de Alumínio Obtidos Via Metalurgia do Pó
PALAVRAS - CHAVE: Compósito de Matriz Metálica, Alumínio, Tratamento Térmico, Metalurgia do Pó, Desgaste.
NÚMERO DE PÁGINAS: xiii, 107 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC
PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM
CADASTRO CAPES: 4100201001P-9
ORIENTADOR: Dr. César Edil da Costa
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. César Edil da Costa
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. César Edil da Costa, que como orientador e amigo indicou os caminhos a serem percorridos para a realização do presente trabalho.
Ao Prof. Dr. Julio César Giubilei Milan, que como co-orientador auxiliou em todas as etapas deste projeto.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
À Universidade Federal de Uberlândia, em especial a Prof. Dr. Henara Lillian Costa, pela atenção dispendida durante visita a Uberlândia.
A CAPES pela bolsa de estudo concedida.
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SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO E OBJETIVOS... 14
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 16
2.1 METALURGIA DO PÓ... 16
2.2 FABRICAÇÃO DOS PÓS METÁLICOS... 17
2.3 COMPÓSITOS... 22
2.4 COMPÓSITOS -IN SITU... 23
2.5 SINTERIZAÇÃO... 24
2.6 COMPACTAÇÃO A QUENTE... 26
2.7 EXTRUSÃO... 27
2.8 INTERFACE MATRIZ –REFORÇO NOS COMPÓSITOS... 28
2.9 TRATAMENTOS TÉRMICOS... 31
2.9.1 Ligas alumínio – cobre... 32
2.9.2 Ligas Alumínio – Cobre – Magnésio... 33
2.9.3 Ligas Alumínio – Magnésio – Silício... 34
2.10 TRIBOLOGIA... 35
2.10.1 Atrito ... 36
2.10.2 Desgaste ... 38
2.10.2.1 Desgaste Abrasivo ... 42
2.10.2.2 Desgaste Adesivo ... 48
2.10.2.3 Desgaste Tribo-Químico... 54
2.10.2.4 Fadiga Superficial... 59
CAPÍTULO 3 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL... 60
3.1 MATERIAIS E MÉTODOS... 60
3.2 CONSOLIDAÇÃO... 62
3.3 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA... 64
3.4 CARACTERIZAÇÃO TRIBOLÓGICA... 64
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 69
4.1 COMPÓSITO COM MATRIZ DE ALUMÍNIO AA2124 ... 69
4.1.1 Propriedades mecânicas ... 69
4.1.2 Ensaios De Desgaste ... 73
4.2 COMPÓSITO COM MATRIZ DE ALUMÍNIO AA6061 ... 82
4.2.1 Propriedades Mecânicas... 82
CONCLUSÕES ... 93
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 95
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Fluxograma do processo de Metalurgia do Pó convencional. ... 16
Figura 2.2 - Esquema do moinho de bolas. ... 18
Figura 2.3 - Interação das bolas com o pó durante a ligação mecânica. ... 20
Figura 2.4 - Esquema de um moinho de alta energia. ... 20
Figura 2.5 - Classificação dos compósitos quanto ao tipo de reforço. ... 22
Figura 2.6 – Esquema das mudanças estruturais durante a sinterização de uma liga Al-Cu. ... 25
Figura 2.7 - Mecanismos de geração de atrito a nível microscópico. (a) Adesão. (b) Sulcamento. (c) Deformação e fratura de óxidos. (d) Partículas de desgaste presas. . 38
Figura 2.8 - Esquema pino sobre disco com geometria de contato “counterformal” empregada em testes de desgaste por deslizamento. ... 41
Figura 2.9 - Mecanismos de desgaste: sulcamento, fadiga, aresta postiça, micro-fratura e micro-corte. ... 42
Figura 2.10 - Deformação do substrato durante a passagem de um grão... 43
Figura 2.11 - Modos de desgaste abrasivo: dois corpos ou deslizamento e três corpos ou rolamento... 45
Figura 2.12 – Valores do coeficiente de desgaste k em função do modo e mecanismo de desgaste sem o meio de lubrificação. ... 46
Figura 2.13 – Interação entre as partículas abrasivas duras ou macias e a fase de reforço. 47 Figura 2.14 - Processo de transferência de metal devido à adesão... 49
Figura 2.15 - Diagrama esquemático da formação de partícula transferida por adesão... 49
Figura 2.16 - Modelo alternativo da deformação no contato de asperezas aderidas. ... 50
Figura 2.17 – Formação e remoção da camada de transferência... 51
Figura 2.18 - Formação da estrutura lamelar nas partículas transferidas. ... 51
Figura 2.19 - Mecanismo de formação de sulcos nas superfícies desgastadas por partículas transferidas encruadas... 52
Figura 2.20 – Mecanismo de desgaste por oxidação em baixas velocidades... 55
Figura 3.1 - Esquema do trabalho desenvolvido. ... 60
Figura 3.2 – Material utilizado, (a) Liga base AA2124 MA; (b) Liga base AA6061 atomizada; (c) Si3N4 3000x; (d) TiN; (e) Ti3Al... 61
Figura 3.3 - Barra extrudada... 64
Figura 3.4 - Corpo de prova de tração. ... 64
Figura 3.5 - Croqui do ensaio pino contra disco. ... 65
Figura 3.6 - Corpo de prova de desgaste. ... 66
Figura 3.7 - Perfil obtido no perfilômetro e área desgastada calculada pelo software... 66
Figura 3.8 – Interferômetro ótico UBM, UFU-MG. ... 67
Figura 3.9 - Topografia de parte da pista desgastada, compósito AA2124 + 5% Si3N4, obtida via interferometria. ... 68
Figura 4.1 – Compósitos com matriz AA2124: (a) AA2124 + 5% Si3N4 T1; (b) AA2124 + 10% TiN T1; (c) AA2124 + 5% TiAl T1; (d) AA2124 + 10% TiAl T1... 69
Figura 4.2 – Dureza da liga base AA2124 e dos compósitos... 70
Figura 4.3 - Propriedades mecânicas da liga base AA2124 e dos compósitos... 71
Figura 4.4 - Fraturas na liga AA2124, (a) T1e (b) T6... 71
Figura 4.5 - Fraturas nos compósitos; (a) AA2124 + 5% Si3N4 T6; (b) AA2124 + 10% TiN T6; (c) AA2124 + 5% TiAl T6; (d) AA2124 + 10% TiAl T6... 72
Figura 4.6 - Coeficiente de atrito do compósito AA2124 + 10% TiAl. ... 73
Figura 4.7 - Coeficiente de atrito médio da liga base AA2124 e dos compósitos... 74
Figura 4.8 - Coeficiente de desgaste da liga base AA2124 e dos compósitos. ... 74
Figura 4.9 -Pistas de desgaste: (a) Liga base AA2124 T1; (b) AA2124 + 5% Si3N4 T1; (c) AA2124 + 5% TiAl T1 BSE; (d) AA2124 + 5% TiAl T1; (e) AA2124 + 10% TiAl T6 BSE; (f) AA2124 + 10% TiAl T1; (g) AA2124 + 10% TiN T1 BSE; (h) AA2124 + 10% TiN T1... 75
Figura 4.10 - Esfera Al2O3 (contra corpo) após ensaio, (a) perfil e (b) detalhe. ... 77
Figura 4.11 - Pistas de desgaste: (a) Liga base AA2124 T6 BSE; (b) AA2124 + 10% TiAl T1 BSE. Composição semi-quantitativa das regiões destacadas na Tabela 4.1... 78
xi
Figura 4.13 - Partículas desgastadas; (a) Liga base AA2124 T6; (b) Liga base AA2124 T6; (c) AA2124 + 10% TiAl T6; (d) AA2124 + 10% TiN T6. Composição química semi-quantitativa das regiões destacadas na Tabela 4.3... 80
Figura 4.14 – Compósitos com matriz AA6061: (a) AA6061 + 10% Si3N4 T6; (b) AA6061
+ 10% Ti3Al T1. ... 82
Figura 4.15 - Dureza da liga base AA6061 e dos compósitos... 82 Figura 4.16 - Propriedades mecânicas da liga base AA6061 e dos compósitos... 83 Figura 4.17 - Fraturas na liga base e nos compósitos: (a) Liga base AA6061 T6; (b) Liga
base AA6061 T1; (c) AA6061 + 10% Si3N4 T6; (d) AA6061 + 10% Ti3Al T1. ... 84
Figura 4.18 - Coeficiente de atrito médio da liga base AA6061 e dos compósitos... 85 Figura 4.19 - Coeficiente de desgaste da liga base AA6061 e dos compósitos. ... 85 Figura 4.20 - Pistas desgastadas, (a) Liga base AA6061 T1; (b) Liga base AA6061 T6; (c)
AA6061 + 10% Si3N4 T6; (d) AA6061 + 10% Si3N4 T1; (e) AA6061 + 10% Ti3Al
T1; (f) AA6061 + 10% Ti3Al T1... 86
Figura 4.21 - Pista desgastada do compósito AA6061 + 10% Ti3Al T6, (a) SE; (b) BSE.. 88
Figura 4.22 - Área 1 da Figura 4.21, (a) SE; (b) BSE. ... 88 Figura 4.23 - Área 2 da Figura 4.21, (a) SE; (b) BSE. ... 89
Figura 4.24 - Pistas de desgaste: (a) Liga base AA6061 T1; (b) AA6061 + 10% Si3N4 T6;
(c) AA6061 + 10% Ti3Al T1, BSE. Composição semi-quantitativa na Tabela 4.4. .. 89
Figura 4.25 - Partículas desgastadas; (a) AA6061 + 10% Si3N4 T6; (b) AA6061 + 10%
Si3N4 T6; (c) AA6061 + 10% Ti3Al T6; (d) AA6061 + 10% Ti3Al T6. Composição
RESUMO
O desenvolvimento de materiais compósitos provém da necessidade de conjugar as propriedades de dois ou mais componentes num só, maximizando as propriedades individuais. Os Compósitos de Matriz de Alumínio (AMCs) reforçados com partículas duras vem ampliando as áreas de aplicação devido a propriedades como baixo peso específico e aumento na resistência ao desgaste. A técnica de Metalurgia do Pó seguida por extrusão a quente proporciona bons resultados na consolidação de preformas compactadas, evitando o fenômeno de segregação, típico em processos por via líquida. Neste trabalho, foram utilizados duas ligas de alumínio como matriz, AA2124 e AA6061, reforçadas com nitreto de silício, nitreto de titânio e alumineto de titânio. Foram estudados a influência do tipo de reforço, morfologia dos pós e dois tratamentos térmicos diferentes, T1 e T6. Avaliaram-se propriedades mecânicas como: dureza, resistência máxima à tração e propriedades tribológicas. O objetivo deste trabalho é a obtenção de compósitos de matriz metálica com matriz de alumínio pela rota da Metalurgia do Pó e extrusão a quente. Os resultados mostraram uma distribuição homogênea das partículas de reforço nos materiais compósitos. A resistência máxima à tração e a dureza apresentaram uma diminuição nos compósitos em relação ao material sem reforço, com exceção daqueles reforçados com nitreto de silício onde a interação entre a matriz e o reforço é melhor. O tratamento térmico T6 possibilitou um aumento das propriedades mecânicas nos materiais sem reforço e nos compósitos de matriz AA6061, em relação ao T1. O coeficiente de atrito para todos os materiais estudados se manteve em torno de 0,4, valor este, comum para ligas de alumínio. A adição de partículas de reforço mostrou ser eficiente na melhoria da resistência ao desgaste de todos os materiais compósitos em relação ao material sem reforço.
xiii
ABSTRACT
The development of composite materials is a result of the need to conjugate the properties of two or more components in one, thus maximizing the individual properties. The Aluminium Matrix Composites (AMCs) reinforced with hard particles have bulked the sectors of application due to the properties as low density and increased wear resistance. The technique of Powder Metallurgy followed by hot extrusion provides positive results in the consolidation of compacted samples, avoiding the segregation phenomena typical of casting processes. For the present work two aluminum alloys were used as matrix, AA2124 and AA6061, reinforced with silicon nitrite, titanium nitrite and titanium aluminide. Influences of the type of reinforcement, morphology of the powders and two different heat treatments, namely, T1 and T6 were studied. Some mechanical properties were evaluated as hardness, ultimate tensile strength and tribological properties. The aim of the present work is the attainment of metal matrix composites with an aluminum matrix through powder metallurgy and hot extrusion. The results have shown a homogeneous distribution of reinforcement particles on the composite materials. The ultimate tensile strength and the hardness presented a reduction in the composites when compared with the material without reinforcement, except of those reinforced with silicon nitrite wherein the bond between the matrix and the reinforcement is enhanced. The heat treatment T6 increased the mechanical properties in the materials without reinforcement and the composites of matrix AA6061, when compared with the T1. The coefficient of friction for all the studied materials was kept at about 0.4, a common value for aluminum alloys. The reinforcement particle addition showed to be efficient in the improvement of the wear resistance of all the composites in relation to the material without reinforcement.
