Efeito da sinterização e da moagem de alta energia na microestrutura e nas propriedades mecânicas em ligas de alumínio recicladas a partir de latas de bebidas

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA (CT). PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO. EFEITO DA SINTERIZAÇÃO E DA MOAGEM DE ALTA ENERGIA NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM LIGAS DE ALUMÍNIO RECICLADAS A PARTIR DE LATAS DE BEBIDAS. José Raelson Pereira de Souza. Orientador: Prof. Dr. Mauricio Mhirdaui Peres. Dissertação n.º ______ /PPGCEM. Fevereiro de 2017 Natal – RN.

(2) José Raelson Pereira de Souza. EFEITO DA SINTERIZAÇÃO E DA MOAGEM DE ALTA ENERGIA NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM LIGAS DE ALUMÍNIO RECICLADAS A PARTIR DE LATAS DE BEBIDAS. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.. Fevereiro de 2017 Natal – RN.

(3) Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Souza, José Raelson Pereira de. Efeito da sinterização e da moagem de alta energia na microestrutura e nas propriedades mecânicas em ligas de alumínio recicladas a partir de latas de bebidas / José Raelson Pereira de Souza. - 2017. 70 f.: il. Mestrado (Dissertação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. Mauricio Mhirdaui Peres.. 1. Reciclagem - Dissertação. 2. Alumínio - Dissertação. 3. Moagem de alta energia - Dissertação. 4. Metalurgia do pó Dissertação. I. Peres, Prof. Dr. Mauricio Mhirdaui. II. Título. RN/UF/BCZM. CDU 620.163.4.

(4) JOSÉ RAELSON PEREIRA DE SOUZA. EFEITO DA SINTERIZAÇÃO E DA MOAGEM DE ALTA ENERGIA NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM LIGAS DE ALUMÍNIO RECICLADAS A PARTIR DE LATAS DE BEBIDAS. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.. Aprovada em 24/02/2017.. BANCA EXAMINADORA ______________________________________ (Orientador) Prof. Dr. Mauricio Mhirdaui Peres Departamento de Engenharia de Materiais - UFRN. ______________________________________ Membro interno Prof. Dr. Rubens Maribondo do Nascimento Departamento de Engenharia de Materiais -UFRN. _____________________________________ Membro externo Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros Departamento de Engenharia de Mecânica Universidade Tecnológica Federal do Paraná-Campus Pato Branco.

(5) Dedicado à minha família..

(6) AGRADECIMENTOS. Aos meus familiares que incentivaram e apoiaram as minhas decisões, e pela contribuição na minha formação pessoal e profissional. Ao professor Dr. Maurício Peres pela orientação neste trabalho. À todos os professores do PPGCEM, que compartilharam conhecimento e orientação durante o mestrado. Aos técnicos de laboratório que auxiliaram e realizaram análises fundamentais para o andamento da pesquisa Ao PPGCEM e ao DEMAT – UFRN pelo apoio e estrutura disponibilizados. Agradeço à CAPES pela bolsa, A todos que de alguma forma contribuíram para elaboração desta dissertação, meus agradecimentos..

(7) RESUMO. Este trabalho apresenta o estudo da obtenção e caracterização da reciclagem de alumínio oriundo de latas de bebida composta pelas ligas de alumínio AA3004, 5042 e 5182, através da técnica de moagem de alta energia e da metalurgia do pó. As latas foram selecionadas, picotadas e moídas para obtenção do pó metálico sob diferentes tempos de moagem (1h, 1h30min e 2h). O pó obtido foi compactado a uma carga de 400 MPa e sinterizado a 600 ºC por duas horas. Para caracterização do pó de alumínio foram realizadas análises em DRX, MEV e EDS, e granulometria a laser; enquanto o material consolidado por sinterização, além das análises via DRX, MEV e EDS, foi caracterizado também através de ensaios de dilatometria, compressão e microdureza Vickers. Avaliouse o tamanho das partículas e sua relação com as propriedades da liga de alumínio. A rota de processamento adotada resultou na compactação efetiva do pó de alumínio proveniente da moagem de latinhas de bebidas, porém apresentando porosidade, típica de metais sinterizados. Observou-se uma grande incidência de precipitados da fase Al6Mn dispersa na matriz Al-alfa (CFC). As amostras apresentaram variações em suas propriedades mecânicas em função do tempo de moagem. A porosidade e a microestrutura da liga podem ter influenciado as propriedades mecânicas resultando no comportamento discrepante entre a resistência a compressão.e a microdureza. A resistência a compressão aumentou de 105 N/mm² com 1h de moagem para 120 N/mm² com 1h30min e diminui para 110 N/mm² com 2h de moagem, mas a ductilidade apresentou pouca variação. A dureza foi de 56,43 HV, 66,52 HV e 92,21 HV para os tempos de 1h, 1h30min e 2h, respectivamente.. Palavras-chave: Reciclagem, alumínio, moagem de alta energia, metalurgia do pó..

(8) ABSTRACT. This work presents the study of the production and characterization of aluminum recycling from beverage cans composed of aluminum alloys AA3004, 5042 and 5182, using high energy grinding and powder metallurgy. The cans were selected, punched and ground to obtain the metallic powder under different milling times (1h, 1h30min and 2h). The obtained powder was compacted at a load of 400 MPa and sintered at 600 ° C for two hours. For characterization of the aluminum powder, XRD, SEM and EDS analyzes were performed, and laser grading; While the material consolidated by sintering, in addition to the analyzes via DRX, SEM and EDS, was also characterized by Vickers dilatometry, compression and microhardness tests. The size of the particles and their relationship to the properties of the aluminum alloy were evaluated. The processing route adopted resulted in the effective compaction of the aluminum powder from the beverage cans mill, but with porosity, typical of sintered metals. A high incidence of precipitates of the Al6Mn phase dispersed in the Al-alpha matrix (CFC) was observed. The samples presented variations in their mechanical properties as a function of milling time. The porosity and microstructure of the alloy may have influenced the mechanical properties resulting in the dissimilar behavior between the compressive strength and microhardness. The compressive strength increased from 105 N / mm² with 1h grinding to 120 N / mm² with 1h30min and decreasing to 110N / mm² with 2h grinding, but the ductility presented little variation. The hardness was 56.43 HV, 66.52 HV and 92.21 HV for the times of 1h, 1h30min and 2h, respectively.. Keywords: Recycling, aluminium, high energy milling, powder metallurgy..

(9) LISTA DE FIGURAS. Figura 1: Precipitado tipo Al6(MnFe) com forma alongada [17]. ................ 22 Figura 2: Diagrama de fase Al-Mn [3]. .......................................................... 23 Figura 3: Diagrama de fase Al-Mg [3]. .......................................................... 24 Figura 4: Fluxograma simples da técnica de metalurgia do pó. Adaptado da ASM Handbook [3]. ........................................................................................ 28 Figura 5: Colisão das bolas sobre o material, em um processo de moagem de alta energia (MAE). Adaptado de Suryanarayana [26]. .......................... 30 Figura 6: Etapas envolvidas na moagem de alta energia (MAE) [25]. ....... 31 Figura 7: Esquema da moagem em um moinho atritor [26]. ...................... 32 Figura 8: Fluxograma simples do processo de obtenção e caracterização da liga reciclada de alumínio [Autor]. ........................................................... 39 Figura 9: Lata de alumínio recortada [Autor]. .............................................. 40 Figura 10: Moinho Spex. Adaptado de Suryanarayana [26]. ...................... 40 Figura 11: Pó de alumínio obtido por MAE [Autor]. .................................... 41 Figura 12: Corpo de prova para compressão [Autor]. ................................ 44 Figura 13: Ensaio de microdureza Vickers [Autor]. .................................... 45 Figura 14: Distribuição granulométrica do pó no tempo de moagem de 1 h [Autor]. ............................................................................................................ 46 Figura 15: Distribuição granulométrica do pó no tempo de moagem de 1h30min [Autor]. ............................................................................................. 47 Figura 16: Distribuição granulométrica do pó no tempo de moagem de 2 h [Autor]. ............................................................................................................ 47 Figura 17: Comparativo da distribuição granulométrica para os tempos de moagem de 1h, 1h30min e 2h [Autor]. .......................................................... 48 Figura 18: Morfologia das partículas observadas no MEV (a) partículas obtidas com 1h de moagem (b) partículas obtidas com 1h30min de moagem (c) partículas obtidas com 2h de moagem [Autor]. ..................................... 49 Figura 19: Comportamento dilatométrico à temperatura de 550ºC [Autor]. ......................................................................................................................... 51 Figura 20: Porosidade da liga sinterizada a 600 ºC observada em MEV (a) liga com 1h de moagem (b) liga com 1h30min de moagem (c) liga com 2h de moagem [Autor]. ....................................................................................... 52.

(10) Figura 21: Coalescência das partículas sinterizadas observadas em MEV (a) liga com 1h de moagem (b) liga com 1h30min de moagem (c) liga com 2h de moagem [Autor]. .................................................................................. 54 Figura 22: Caracterização química através de MEV/EDS [Autor]. .............. 55 Figura 23: Difratograma do pó de alumínio com os tempos de moagem de 1h, 1h30min e 2h [Autor]................................................................................ 57 Figura 24: Difratograma do sinterizado de alumínio com os tempos de moagem de 1h, 1h30min e 2h [Autor]. .......................................................... 58 Figura 25: Micrografia da distribuição da fases precipitadas na liga sinterizada obtida em MEV [Autor]. .............................................................. 59 Figura 26: Análise de EDS das fases precipitadas na liga [Autor]. ........... 59 Figura 27: Micrografias obtidas no MEV-FEG da liga com 1h de moagem. (a) tamanho de grão (b) coalescência das partículas [Autor]. ................... 60 Figura 28: Micrografias obtidas no MEV-FEG da liga com 1h30min de moagem. (a) tamanho de grão (b) coalescência das partículas [Autor] .... 61 Figura 29: Micrografias obtidas no MEV-FEG da liga com 2h de moagem. (a) tamanho de grão (b) coalescência das partículas [Autor] .................... 62 Figura 30: Diagrama Tensão versus deformação dos ensaios de compressão [Autor]. ...................................................................................... 63 Figura 31: Microdureza Vickers em função do tempo de moagem [Autor]. ......................................................................................................................... 64.

(11) LISTA DE TABELAS. Tabela 1: Nomenclatura das ligas de alumínio [3]. ..................................... 18 Tabela 2: Composição química da liga 3004 [3]. ......................................... 19 Tabela 3: Composição química da liga 5042 [3]. ......................................... 20 Tabela 4: Composição química da liga 5182 [3]. ......................................... 20 Tabela 5: Porosidade da liga sinterizada [Autor]. ....................................... 51 Tabela 6: Composições químicas da liga processada após cada moagem, obtidas via MEV/EDS [Autor]. ........................................................................ 56 Tabela 7: Microdureza Vickers (HV) [Autor]. ................................................ 64.

(12) SUMÁRIO. 1.. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 14 1.1. OBJETIVOS ........................................................................................ 16 1.1.1. Objetivo Geral ............................................................................. 16 1.1.2. Objetivos específicos ................................................................. 16. 2.. REVISÃO DE LITERATURA .................................................................... 17 2.1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS ................................................................ 17 2.1.1. Ligas de Al-Mn (3xxx ou 3xx.x).................................................. 18 2.1.2. Ligas de Al-Mg (5xxx ou 5xx.x).................................................. 19 2.2. FABRICAÇÃO DAS LATAS DE ALUMÍNIO ...................................... 19 2.3. SISTEMAS MICROESTRUTURAIS DAS LIGAS DE Al-Mn, Al-Mg, AlMg-Si e Al-Mn-Si ......................................................................................... 21 2.3.1. Sistema Al - Mn ........................................................................... 21 2.3.2. Sistema Al – Mg .......................................................................... 23 2.3.3. Sistema Al-Mg-Si ........................................................................ 24 2.3.4. Sistema Al-Mn-Si ........................................................................ 24 2.4. INTERMETÁLICOS NAS LIGAS DE ALUMÍNIO ............................... 25 2.4.1. Fase alfa - α (Al8Fe2Si) ................................................................ 25 2.4.2. Fase beta - β (Al5FeSi) ................................................................ 25 2.5. TRATAMENTO TÉRMICO DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO .................................................................................... 26 2.6. METALURGIA DO PÓ ........................................................................ 27 2.6.1. Moagem de alta energia ............................................................. 29 2.6.2. Tipos de moinho de bolas.......................................................... 31 2.6.3. Cadinho do processo de moagem ............................................ 33 2.6.4. Velocidade de moagem .............................................................. 33 2.6.5. Tempo de moagem ..................................................................... 34 2.6.6. Razão massa das esferas/massa do material .......................... 34 2.6.7. Atmosfera da moagem ............................................................... 35 2.7. COMPACTAÇÃO................................................................................ 35 2.8. SINTERIZAÇÃO ................................................................................. 37. 3.. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................ 39 3.1. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ..................................................... 39.

(13) 3.1.1. Seleção do material .................................................................... 39 3.1.2. Moagem de alta energia ............................................................. 40 3.1.3. Compactação e sinterização...................................................... 41 3.2. CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS ............................................ 42 3.2.1. Granulometria ............................................................................. 42 3.2.2. Dilatometria ................................................................................. 42 3.2.3. Determinação da composição química da liga ........................ 42 3.2.4. Análise de Difração de Raios-X ................................................. 43 3.2.5. Análise Microestrutural .............................................................. 43 3.2.6. Ensaio de compressão ............................................................... 44 3.2.7. Ensaio de microdureza .............................................................. 44 4.. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................. 46 4.1. EFEITO DO TEMPO DE MOAGEM DE ALTA ENERGIA .................. 46 4.1.1.. Distribuição granulométrica ......................................................... 46. 4.1.2. Análise da morfologia das partículas de pó ............................. 48 4.2. EFEITO DA SINTERIZAÇÃO ............................................................. 50 4.2.1.. Análise do ensaio de dilatometria ................................................ 50. 4.2.3.. Análise da sinterização ................................................................. 53. 4.3. DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA LIGA ............... 55 4.4. RESULTADO DA ANÁLISE DE DIFRAÇÃO DE RAIOS-X ............... 56 4.5. ANÁLISE MICROESTRUTURAL ....................................................... 58 4.6. ENSAIO DE COMPRESSÃO .............................................................. 62 4.7. ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS ............................................ 64 5.. CONCLUSÕES ......................................................................................... 66. 6.. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................... 67. 7.. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 68.

(14) 14 1. INTRODUÇÃO O Brasil é um dos maiores produtores de alumínio, em função das grandes reservas do minério bauxita, encontradas nos estados Minas Gerais e Pará, além dos recursos para produzir eletricidade, que é intensamente utilizada no processo de beneficiamento ou redução da bauxita para obtenção do alumínio. Hoje o panorama está mudando devido a crise mundial e ao alto custo de produção do alumínio no Brasil, ocasionando no fechamento de algumas empresas de extração da bauxita e refino do alumínio primário [1]. Além do fato de ser o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, o alumínio é o metal não ferroso mais consumido devido as suas características físico-químicas, que favorecem sua utilização [2]. Quando comparado a outros metais o alumínio apresenta: baixa densidade, baixo ponto de fusão, alta resistência mecânica, alta resistência à corrosão, alta condutividade térmica e elétrica. Além disso, é durável, atóxico, versátil, pode ser reciclado infinitamente, economicamente viável pela aparência e pela gama de propriedades desenvolvidas a partir do alumínio puro e suas ligas [3]. O alumínio tem suas características alteradas quando adicionados elementos de liga, tais como, Mg, Si, Cu, Mn, Fe, Zn; permitindo assim, a aplicação em diversos segmentos, principalmente em indústria automotiva, de transporte, de bens de consumo e de construção civil [4]. O ciclo da reciclagem transforma a sucata, gerada após consumo de bens, em matéria prima, recolocando-a no início do processo industrial para fabricação de novos produtos [5]. Durante a reciclagem a perda de material por formação de óxido e contaminação por outros elementos são insignificantes em relação a economia e benefícios que a reciclagem possibilita, tal como economia de energia. A reciclagem de alumínio no Brasil desde 2001 vem apresentando altos índices de aproveitamento, sendo que no ano de 2015 se destacou por ter apresentado o surpreendente resultado de 97,9% das latas de bebida recicladas, correspondendo a 292,5 mil toneladas de sucata. O alumínio é reciclado principalmente das latas para bebida, mas também de bens e utensílios domésticos, dos setores de transporte e da construção civil [6]..

(15) 15 A sucata gerada após consumo de bens baseados em ligas de alumínio tem um valor comercial, e nesse aspecto existe uma cadeia produtiva que viabiliza a reciclagem. A reciclagem permite grande economia de energia, pois utiliza apenas 5% da energia usada no processo de beneficiamento da bauxita que resulta no alumínio primário, além do fato de emitir somente 5% de gás de efeito estufa. Os fatores sociais, ambientais e econômicos envolvidos tornam a reciclagem um processo altamente viável, visto que diminui os impactos da exploração desse metal, gera empregos e economia na fabricação de produtos [7]. A reciclagem de alumínio permite a inclusão social pela capacidade de geração de emprego e renda. No Brasil há milhares de pessoas que trabalham com coleta da sucata e que permitem ao país alcançar os altos índices de reciclagem. LIMA [8] afirma também que a política nacional de resíduos sólidos trará mais benefícios, principalmente se acompanhada de política, de ciência e tecnologia voltada a reciclagem em pequena e média escala. A moagem de alta energia promove a redução de tamanho e homogeneização dos pós, num processo de fratura e soldagem, podendo ser aplicada ao processo de reciclagem de alumínio, associada a técnica de metalurgia do pó, que permite a fabricação de peças metálicas a partir do material sólido particulado sem que haja fundição. Na técnica de metalurgia do pó as etapas principais para confecção da peça são a compactação e a sinterização. Portanto, a reciclagem de alumínio utilizando moagem de alta energia e metalurgia do pó consiste em reduzir a sucata à forma de pó, realizar compactação e sinterização para obtenção de um corpo sólido. Na reciclagem de alumínio pela técnica de metalurgia do pó não há fundição, dessa forma o consumo de energia durante o processo é menor quando comparado ao processo de reciclagem por fundição, portanto pode ser uma alternativa para reciclagem de alumínio..

(16) 16 1.1. OBJETIVOS 1.1.1. Objetivo Geral . Este trabalho possui como objetivo geral a reciclagem de alumínio a partir de recipiente de bebida via moagem de alta energia e metalurgia do pó.. 1.1.2. Objetivos específicos . Estudar a influência do tempo de moagem de alta energia (1h, 1h30min e 2h) e correlacionar a resistência mecânica e a microestrutura do material consolidado. . Caracterização mecânica e microestrutural da liga de alumínio reciclada;. . Avaliar a viabilidade da técnica de metalurgia do pó como alternativa para produção de peças de alumínio a partir de matéria prima reciclada..

(17) 17 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS O alumínio possui estrutura cristalina CFC e densidade de 2,69 g/cm³ na forma pura, características que podem ser modificadas quando aplicada na forma de ligas. O ponto de fusão do alumínio é 660 ºC, quando comparado a outros metais é relativamente baixo, com a adição de elementos de liga o ponto de fusão varia em função do soluto [1]. O alumínio é bastante dúctil e apresenta resistência mecânica e dureza relativamente baixas, característica limitante para algumas aplicações. Essas propriedades são significativamente melhoradas através de trabalho a frio (comercialmente puro ou baixa liga) ou tratamento térmico de endurecimento por precipitação (ligas Al-Cu. Al-Zn e Al-Mg) [4]. A capacidade de transferência de energia térmica do alumínio comercialmente puro, mesmo sendo inferior a do cobre, confere sua aplicabilidade na indústria como trocadores e dissipadores de calor. A condutividade elétrica, ainda que inferior ao cobre, é bastante competitiva em aplicações, devido a baixa densidade, apesar da baixa resistência mecânica [1]. O alumínio pode sofrer corrosão em meio ácido ou alcalino, embora ocorra uma rápida formação da camada passiva de óxido de alumínio na superfície, que confere a elevada resistência à corrosão ao alumínio [9]. As ligas de alumínio são divididas em duas classes: ligas conformadas ou trabalhadas e ligas fundidas. A primeira refere-se às destinadas a fabricação de produtos que envolvem laminação, extrusão, forjamento, trefilação e usinagem. Esses processos são realizados por meio de trabalho mecânico, normalmente a frio, que forçam o material a adquirir a forma desejada. A segunda menciona as ligas destinadas a fabricação de produtos fundidos. Essas são vantajosas para produção de peças complexas com áreas ocas ou tubulares e contornos complexos, ainda nesse processo não há necessidade de acabamentos e nem grandes limitações de forma e tamanho. O preparo da liga exige cuidados que podem influir nas propriedades das peças. Na fundição são utilizados fornos de indução e moldes de areia [3]. As ligas de alumínio são classificadas em função dos elementos de liga e do processo de fabricação, isto é, ligas fundidas ou ligas forjadas. A Associação.

(18) 18 Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) utiliza como referência normativa a nomenclatura desenvolvida pela Aluminum Association que identifica os diferentes tipos de ligas, como é mostrado na Tabela 1: Nomenclatura das ligas de alumínio [3].. Tabela 1: Nomenclatura das ligas de alumínio [3]. Principal Principal Ligas Forjadas elemento da liga Ligas Fundidas elemento da liga Série 1xxx. Alumínio Puro. Série 1xx.x. Alumínio Puro. Série 2xxx. Alumínio Cobre Alumínio Manganês. Série 2xx.x. Alumínio Cobre Alumínio SilícioManganês. Alumínio Silício Alumínio Magnésio Alumínio Magnésio-Silício. Série 4xx.x. Alumínio Zinco Alumínio (Lítio, Estanho, Ferro). Série 3xxx Série 4xxx Série 5xxx Série 6xxx Série 7xxx Série 8xxx. Série 3xx.x. Série 5xx.x. Alumínio Silício Alumínio Magnésio. Série 6xx.x. Não utilizado. Série 7xx.x. Alumínio Zinco. Série 8xx.x. Alumínio Estanho. Neste trabalho as ligas de alumínio utilizadas são da série 3xxx e 5xxx, da classe de ligas forjadas. 2.1.1. Ligas de Al-Mn (3xxx ou 3xx.x) Neste sistema, o elemento principal de liga é o manganês, contendo também o ferro e silício, que suprimem a formação da solução sólida Al-Mn, e o cromo que estabiliza a fase. Estas ligas não são tratáveis termicamente, portanto são endurecidas por encruamento. A principal característica é a redução da susceptibilidade a corrosão sob tensão, também possui razoável resistência mecânica e conformabilidade. As aplicações incluem fabricação de utensílios domésticos, latas para bebida, tanques de armazenamento, estruturas arquitetônicas e decorativas [3]..

(19) 19 2.1.2. Ligas de Al-Mg (5xxx ou 5xx.x) O principal elemento de liga deste sistema é o magnésio, que aumenta a dureza da liga, contêm ainda o manganês, o ferro, o silício, titânio e cromo. As ligas do sistema 5xxx não são tratáveis termicamente, pois não apresentam ganho de dureza com a precipitação, e ainda causa susceptibilidade a corrosão nos contornos de grão, sendo necessário o endurecimento por encruamento. A liga de Al-Mg propicia elevada ductilidade, resistência a corrosão e soldabilidade, assim como excelente acabamento superficial. É aplicado na fabricação de utensílios domésticos, latas para bebida, estrutura automotiva, barcos e estruturas arquitetônicas e decorativas [3].. 2.2. FABRICAÇÃO DAS LATAS DE ALUMÍNIO. 2.2.1. Ligas para fabricação das latas de alumínio. Considerando a fabricação de latas de bebidas, são utilizadas ligas de alumínio baixa liga, ou seja, que recebem a adição de elementos de liga em pequenas quantidades para o alcance das propriedades especificas requeridas, tal como a associação de resistência mecânica com alta ductilidade e estampabilidade. Os elementos de liga mais comuns são o cobre, silício, manganês, magnésio, ferro, zinco, níquel, bismuto e titânio. Usualmente, uma lata de alumínio é fabricada a partir de três ligas diferentes, sendo a liga 3004 usada para compor o corpo da lata, que equivale a 75% do peso total, a liga 5182 compõe a tampa, equivalendo a 23% do peso, e por fim, a liga 5042 é usada para o anel de abertura e equivale a 2% do peso [5] A liga de alumínio 3004 possui altos teores de manganês e magnésio na sua composição, além de ferro, silício, cobre e zinco [5]. A Tabela 2 com a composição química da liga é mostrada a seguir.. Tabela 2: Composição química da liga 3004 [3]. Componente Mg Mn Fe Si Cu Zn % (peso). 0,8 – 1,3. 1,0 – 1,5. 0,70. 0,3. 0,25 0,25.

(20) 20 A liga de alumínio 5042 tem como principal elemento de liga o magnésio, que confere resistência mecânica, resistência a fadiga e a fratura, e boa soldabilidade. Outros elementos também compõem a liga, como o manganês, cromo, cobre, zinco, silício, titânio e ferro [10]. A composição química é mostrada na Tabela 3.. Tabela 3: Composição química da liga 5042 [3]. Componente Mg Mn Fe Si Cu Zn % (peso). 3,0 – 4,0 0,2 – 0,50 0,35 0,20 0,15. 0,25. Cr. Ti. 0,1. 0,10. Na composição da liga de alumínio 5182 o principal elemento de liga é o magnésio, no entanto há outros elementos em menor quantidade, como o manganês, cromo, cobre, zinco, silício, titânio e ferro [11]. A Tabela 4 mostra a composição química da liga.. Tabela 4: Composição química da liga 5182 [3]. Componente Mg Mn Fe Si Zn Cu % (peso). 4,0 – 5,0. 0,2 -0,5. 0,35 0,20. Cr. 0,25 0,15 0,10. Ti 0,10. 2.2.2. Processo de fabricação da lata. A fabricação das latas de alumínio é realizada a partir de chapas laminadas com espessura de 0,2 mm, adquiridas de fabricas de alumínio. Para fabricação do corpo da lata, a chapa é colocada na máquina de prensagem (bodymaker) que realiza o corte na forma de discos e em seguida, por meio da estampagem, produz os copos rasos. Estes copos rasos passam para outra máquina que promove o estiramento gradual até alcançar o formato final da lata, sendo necessário cortar as bordas para que tenham o mesmo comprimento. A etapa final consiste na lavagem, esterilização e secagem, logo após as latas seguem para impressão do rótulo, onde a aplicação de uma camada externa de verniz garante o brilho e fixação da pintura. As latas são colocadas em forno para secagem e cura do verniz externo, em seguida uma camada interna de verniz é aplicada para que o líquido não entre em contato com a superfície metálica, logo após as latas são colocadas novamente no forno para secagem e cura do verniz interno..

(21) 21 O corpo da lata de alumínio rotulado é submetido ao processo de formação do perfil da boca para que a tampa possa ser encaixada e recravada após envasamento. No processo de fabricação da tampa básica, em uma prensa são cortados os discos e posteriormente moldados. A reborda da tampa é moldada para garantir a recravação e uma boa fixação, além da aplicação de um selante que evita vazamentos. A tampa básica é submetida à formação de relevo, do rebite para sustentação do anel e das linhas para abertura por um processo de conformação rigorosamente controlado.. 2.3. SISTEMAS MICROESTRUTURAIS DAS LIGAS DE Al-Mn, Al-Mg, AlMg-Si e Al-Mn-Si. Como citado anteriormente as ligas utilizadas na fabricação de latas de alumínio são as 3004, 5042 e 5182. A composição química da liga obtida a partir da reciclagem de alumínio por meio da moagem de alta energia, necessariamente apresenta maiores percentagens de magnésio, manganês, ferro e silício, além do próprio alumínio. Estas ligas não respondem ao tratamento térmico de envelhecimento e por isso são classificadas como ligas não tratáveis.. 2.3.1. Sistema Al - Mn A liga Al-Mn tem na sua composição uma porcentagem limitada de Mn, na temperatura eutética, que vai até 1,7 %. Para adição de Fe e Si o limite é de 0,7% cada, levando ao aumento da resistência da liga sem diminuir a resistência a corrosão [12]. As ligas de alumínio do sistema Al-Mn possuem como microestrutura uma matriz de alumínio com estrutura dendrítica de fases intermetálicas nos contornos de grão. A fase ortorrômbica Al6(MnFe) e a fase cúbica α Al(MnFe)Si são as fases intermetálicas presentes na liga [13]. Ligas de alumínio contendo Mn, Si e Fe solidificam formando intermetálicos na região interdendrítica. A estrutura intermetálica é instável em razão da morfologia irregular na forma ramificada e da alta densidade de defeitos de crescimento [14]..

(22) 22 A fase intermetálica, com composição Al6Mn, em equilíbrio com a solução sólida de alumínio, é separada da solução líquida se a concentração de Mn estiver entre 1,9 e 4,1%, formado por reação peritética a uma temperatura de 710 ºC. A presença Fe e Si, superior em 0,2%, dificulta a formação do Al6Mn, pois o Fe acaba por substituir o Mn para formar a fase Al6Fe. A facilidade de difusão do Mn permite a formação da fase Al6(MnFe) quando se alcança a máxima solubilidade e passa a formar Al6(Mn0,5Fe0,5) [14] [15]. O Fe possui maior tendência de segregação no alumínio que o Mn, portanto os intermetálicos contêm maior teor de Fe. Esta baixa solubilidade do Fe favorece a formação da fase beta β (Al5FeSi), que é altamente prejudicial, no entanto a presença do Mn provoca mudança na morfologia levando a formação da fase alfa α (Al8Fe2Si), que é menos danosa. Os precipitados de Al(MnFe)Si promovem maior dureza quando comparados às partículas Al6(MnFe), devido a morfologia das partículas que apresentam-se arredondas no primeiro e alongadas no segundo [16]. A Figura 1 mostra os precipitados tipo Al6(MnFe) com forma alongada identificados em uma liga Al-Mn.. Figura 1: Precipitado tipo Al6(MnFe) com forma alongada [17].. No diagrama de fases Al-Mn apresentado na Figura 2, as possíveis fases formadas neste sistema são mostradas..

(23) 23 Figura 2: Diagrama de fase Al-Mn [3].. 2.3.2. Sistema Al – Mg O sistema Al-Mg apresenta resistência mecânica, resistência à fadiga e dureza, mas tem diminuição da ductilidade. As ligas de Al-Mg são melhor desenvolvidas com teor de magnésio entre 0,5 e 6% em massa, sendo que liga com baixo teor de magnésio tem elevada taxa de encruamento. Para aplicações de caráter estrutural o teor de magnésio na liga é maior [18]. A resistência mecânica da liga Al-Mg diminui quando a temperatura aumenta, no entanto, esse processo é mais lento quando comparado com outras liga de alumínio, provavelmente devido a formação de precipitados de magnésio próximo as discordâncias, dificultando seus movimentos. O magnésio também diminui o módulo de elasticidade [16]. No sistema Al-Mg existe um patamar eutético, líquido  Al + Mg5Al8, de 14,9 - 35% em peso de magnésio, a temperatura de 450 ºC, como pode ser visto no diagrama de fase Al-Mg representado na Figura 3. A fase Mg5Al8 é muito frágil abaixo da temperatura de 327 ºC, mas mostra plasticidade a altas temperaturas [16]. Alguns elementos dificultam a difusão do magnésio tal como o zinco, silício, cobre e em menor escala o ferro, manganês e níquel..

(24) 24 O sistema binário Al-Mg apresenta as fases constituintes Mg2Si, Al18Mg3Cr2, Al6Mn.. Figura 3: Diagrama de fase Al-Mg [3].. 2.3.3. Sistema Al-Mg-Si. Este sistema é uma classe de ligas tratáveis, que apresenta alta resistência mecânica e boa resistência a corrosão. A fase Al-Mg2Si é formada no eutético a 595 ºC, em composição com razão de magnésio para silício de 1,73 – 1¨p%. A solubilidade do Mg2Si no alumínio é reduzida pelo excesso de silício e do magnésio [16].. 2.3.4. Sistema Al-Mn-Si As ligas do sistema Al-Mn têm sua resistência mecânica melhorada com a adição do Si. As fases mais comuns formadas neste sistema são as Al, MnAl6, MnSiAl [16]..

(25) 25 2.4. INTERMETÁLICOS NAS LIGAS DE ALUMÍNIO 2.4.1. Fase alfa - α (Al8Fe2Si). Esta fase intermetálica apresenta morfologia do tipo escrita chinesa, e está associada a presença de óxidos, sendo que sua presença é efetiva quando o metal é superaquecido, que favorece a formação da alumina alfa (Al2O3-α). O surgimento da alumina alfa (Al2O3-α) ocorre em duas transformações, na primeira, o óxido formado na superfície do fundido, devido a afinidade do alumínio com o oxigênio, é denominado alumina amorfa, que é uma fase metaestável e com aumento de temperatura transforma-se em alumina gama (Al2O3-γ), através de nucleação de um cristal de alumina gama (Al2O3-γ) em meio a alumina amorfa. Na segunda, com o superaquecimento a alumina gama (Al2O3γ). se transforma em alumina alfa (Al2O3-α). A alumina alfa (Al2O3-α) favorece a. formação da fase-α (Al8Fe2Si) por apresentar um desajuste de reticulado com o núcleo, mas não favorece a formação da fase β (Al5FeSi) [19]. Alguns elementos são adicionados, principalmente o manganês que neutraliza a fragilidade do ferro, há uma preferência pela formação da fase α, visto que ambas as fases reduzem a resistência mecânica, no entanto a fase β é mais danosa [19]. 2.4.2. Fase beta - β (Al5FeSi) A solubilidade do ferro no alumínio, a 655 ºC, é muito baixa (0,052 % em peso), o que resulta na precipitação da fase AlFe3 entre os espaçamentos dendríticos. A formação da fase beta ocorre devido à redução do limite de solubilidade do ferro no alumínio durante a solidificação, sendo o ferro segregado para o contorno de grão, que acontece na forma de plaquetas. A fase β tem morfologia em forma de agulha e é um dos compostos intermetálicos mais prejudiciais, pois reduz bastante as propriedades mecânicas das ligas. Devido a formação de intermetálico do tipo AlSiFeMn a adição de manganês altera a morfologia, da forma plaquetas para a escrita chinesa, tornando a fase β em fase α, que é menos prejudicial [15] [19]. As ligas de alumínio fundidas geralmente apresentam grãos colunares ou equiaxiais, ambos grosseiros, assim o tratamento de refino é realizado com a.

(26) 26 introdução de titânio e boro, que são eficientes para o refinamento pela nucleação heterogênea de novos grãos através da formação de partículas de Al3Ti atuando como substrato [20].. 2.5. TRATAMENTO TÉRMICO ENVELHECIMENTO. DE. SOLUBILIZAÇÃO. E. Com teores entre 8 e 14% de silício, as ligas podem ser melhoradas pela adição de agentes modificadores, tais como antimónio, estrôncio e sódio. A formação de plaquetas e cristais grosseiros ocorrem no resfriamento lento em moldes de areia, nas ligas eutéticas (12,6% silício a 577ºC) e também hipereutéticas, essa morfologia acicular diminui a ductilidade. O efeito da modificação é a baixar a isoterma de reação eutética para 562 ºC, tornando a liga levemente hipoeutética, o que leva a redução do tamanho e arredondamento dos cristais de silício, constituindo assim o tratamento de modificação do silício. A adição dos elementos resulta na alteração da formação da fase eutética, que passa a exibir grãos mais refinados, aumentando a ductilidade [6]. Os modificadores mais conhecidos são o Na, K, Ca, Cd, Bi, BCl3, NaF, KF, entre outros, sendo o sódio o mais usado [21]. O tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificial (T6) pode resultar em aumento da dureza. O tratamento de solubilização consiste em aquecer o material a uma temperatura bem elevada, em geral relativamente próxima do ponto de fusão, de tal modo que nesta temperatura, com os coeficientes de difusão dos elementos de liga no alumínio já suficientemente aumentados, seja possível a migração desses átomos, proporcionando a dissolução completa depois de certo tempo de permanência nesta temperatura. Esta etapa do tratamento térmico é fundamental para assegurar que o envelhecimento subsequente, realizado em temperatura bem mais baixa e tempo mais prolongado, ocorra de modo controlado, de tal maneira que os precipitados sejam formados de maneira controlada, principalmente no que se refere ao tamanho dos mesmos e consequentemente sua coerência com a matriz [22]. O aquecimento da liga inicia a temperatura ambiente e chega a uma temperatura abaixo da necessária para a formação de fase líquida para aumentar ao máximo o limite de solubilidade da fase alumínio alfa. Com o.

(27) 27 resfriamento rápido em água, mantém-se à temperatura ambiente a solução sólida supersaturada. Posteriormente, a manutenção do material à temperatura ambiente (envelhecimento natural) ou a uma temperatura mais elevada (envelhecimento artificial) leva à formação de precipitados endurecedores [22]. O aumento da temperatura, abaixo da temperatura de solubilização, de uma liga solubilizada favorece a precipitação artificial submicroscópica da fase ou de fases intermediárias, com aumento da dureza e da resistência a tração. Esse aumento da resistência é devido a formação de precipitados da liga no interior da estrutura metálica. O tratamento deve ter tempo mínimo de duração de 2h e máximo de 24h, esse critério leva em consideração as características da liga. O envelhecimento natural à temperatura ambiente leva vários dias para alcançar estabilidade estrutural [22]. 2.6. METALURGIA DO PÓ A metalurgia do pó é uma técnica de processamento a qual permite a fabricação de peças a partir da utilização de pós metálicos e não-metálicos, através da aplicação de pressão e calor. As etapas que a técnica envolve são a obtenção e moagem do pó, a compactação e sinterização. A composição química, o tamanho médio de partículas, e morfologia são características relevantes à obtenção do pó [23]. O que torna viável essa técnica é a possibilidade de fabricar peças metálicas sem necessidade de fundição, sendo nesse caso um processamento no estado líquido/sólido, isto é; a existência de fase sólida e fase líquida numa dada temperatura. As peças fabricadas a partir da metalurgia do pó dispensam usinagem ou acabamentos, e podem ser produzidas em série, mesmo tendo geometria complexa [23]. Nesta técnica o pó é compactado por aplicação de uma pressão uniaxial ou isostática, em um molde com formato da peça desejada, e sinterizado a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão. As vantagens deste processo incluem a possibilidade de utilizar metais de alto ponto de fusão, controle de porosidade, viabilidade de confeccionar compósitos de matriz metálica, controle rígido do acabamento do produto [23]..

(28) 28 As limitações deste processo se dão pela dimensão das peças e complexidade geométrica, pois demanda cargas maiores para prensagem eficiente, podendo gerar inviabilidade para o produto desejado. A metalurgia do pó apresenta variações no processamento, como por exemplo: compactação a frio, compactação a quente, prensagem uniaxial e isostática, moldagem por injeção do pó (misturado com ligantes). Os pós podem ser obtidos por várias técnicas, e uma delas é a moagem que tem como objetivo reduzir o tamanho das partículas, misturar ligas, modificar forma da partícula, aglomerar pós. No moinho de bolas a partícula fragmenta-se quando choca com um corpo mais duro. A relação do custo e benefício na aplicação da metalurgia do pó para fabricação de peças pode ser considerada quando as peças confeccionadas têm geometria complexa e porque dispensam acabamentos muito elaborados. A Figura 4 mostra um fluxograma que resume a técnica de metalurgia do pó. Figura 4: Fluxograma simples da técnica de metalurgia do pó. Adaptado da ASM Handbook [3]..

(29) 29 2.6.1. Moagem de alta energia Os pós metálicos são obtidos por métodos químicos e físicos, dentre eles decomposição, atomização, eletrólise, moagem etc. Podendo utilizar mais de um método para a obtenção do pó. Geralmente os métodos químicos são utilizados quando um maior grau de pureza é desejado, enquanto o físico para materiais de alta dureza [3]. A moagem é o método mais comum na obtenção de pós e consiste na cominuição de metais duros. Entre os objetivos de moagem os principais são: . Redução do tamanho da partícula. . Crescimento do grão. . Mudança da forma da partícula. . Aglomeração. . Formação da liga em estado sólido. . Modificação de propriedades de um material (densidade, fluência). . Mistura. Os efeitos específicos que a moagem tem dependem das propriedades físicas e químicas do pó, do vácuo, dos gases ou líquidos no ambiente de moagem, bem com as condições da moagem. Assim a seleção do tipo moagem é baseada nas características do pó a ser obtido [3]. O tamanho e forma das partículas são características importantes dos pós, e dependem do processo de moagem, no entanto a maioria são formas irregulares,. mas. podem. ser. acicular,. dentrítico,. escamoso,. esférico,. arredondado, poroso, angular [23]. O tamanho de partícula deve ser considerado em relação ao processo de compactação e sinterização visto que uma distribuição de tamanho de partícula adequada favorece a estes processos [3]. Na moagem de alta energia (MAE) a fratura das partículas reduz o tamanho, chegando a dimensões de nanopartícula, isso leva a uma maior área superficial, modifica a forma das partículas, induzindo à dispersão e o aumento de defeitos nos sólidos [3]. O princípio da MAE em moinho de bolas é caracterizado por envolver altas velocidades de rotação e frequência de impacto entre as bolas de moagem e material a ser cominuido. As forças que atuam sobre o material, durante a moagem são impacto, atrito, cisalhamento e compressão, no qual é caracterizado pela energia cinética, que o moinho promove através do.

(30) 30 movimento das bolas durante a rotação, envolvendo a massa da bola e altura da queda. No MAE a energia cinética aumenta consideravelmente, uma vez que a aceleração das esferas é superior à da gravidade [3] [24] [25]. Em materiais dúcteis a operação de moagem provoca a fratura por frequentes ciclos de deformação plástica a frio e solda a frio, e por impacto das partículas. Essa repetição de deformação plástica e soldagem, a probabilidade de ocorrer é maior [24]. A Figura 5 mostra a operação de moagem.. Figura 5: Colisão das bolas sobre o material, em um processo de moagem de alta energia (MAE). Adaptado de Suryanarayana [26].. A moagem de alta energia de materiais dúcteis apresenta quatro fases, nas quais a primeira consiste na deformação plástica da partícula que assume forma achatada, que é dependente da ductilidade do material e da energia de impacto. Posteriormente ocorre a soldagem a frio das partículas, caracterizada por agregar as partículas formando um composto. O ciclo de deformação resulta no aumento do encruamento e resistência mecânica das partículas, que leva a fratura das partículas e dos agregados formados. Outra fase da MAE é a homogeneização da mistura, pois com o passar do tempo de moagem o processo de fratura e soldagem atingem o equilíbrio em que o tamanho da partícula muito pequena não permite mais a nucleação e propagação da trinca, com tendência a estabilizar. Por fim a última fase do MAE é o refinamento da microestrutura do material, como é mostrado na Figura 6 [24]..

(31) 31 Figura 6: Etapas envolvidas na moagem de alta energia (MAE) [25].. A moagem de alta energia é um processo complexo que envolve vários parâmetros para a obtenção do produto nas condições desejadas. Estes parâmetros têm efeito importante no resultado final do pó e são dependentes entre si [26].. 2.6.2. Tipos de moinho de bolas São vários os tipos de moinhos nos quais a moagem de alta energia pode ser efetuada, no entanto há diferenças quanto a capacidade de moagem, velocidade de operação, eficiência, e dispositivos adicionais. Os principais moinhos são os agitadores, planetários, atritores e convencionais [26]. O modelo planetário é assim chamado em razão do movimento da câmara que tem como característica a rotação em torno de seu próprio eixo e em torno do eixo do moinho. A capacidade de moer pequenas quantidades de pó. A moagem por impacto é causada pela força centrípeta, que atua sobre as esferas fazendo com que colidam. Na Figura 7 é mostrado o esquema de moagem..

(32) 32 Figura 7: Esquema da moagem em um moinho atritor [26].. O moinho atritor consiste em uma câmara fixa verticalmente com hélices giratórias impulsionando as bolas no interior. O impacto entre os impulsores, as bolas e as paredes confere grande quantidade energia no pó. O material é agitado pela hélice com os impulsores girando em altas velocidades, provocando forças de cisalhamento e impacto, que leva a fratura. Os moinhos atritores podem ser verticais ou horizontais e são disponíveis em diferentes tamanhos e capacidade [26]. O moinho convencional consiste em uma câmara cilíndrica horizontal no qual as bolas realizam a função de moer o material. O movimento rotacional provoca a moagem pelo impacto do material contra as bolas e as paredes da jarra. A energia cinética das esferas é proporcional a massa e da altura da queda as quais são submetidas, se a velocidade for lenta as bolas não terão impulso suficiente e ficaram na base da câmara. No entanto em uma velocidade muito alta a força centrifuga impede que a queda das bolas, e estas permanecerão na parede da câmara durante a rotação [26]. Os moinhos agitadores ou tipo SPEX (nome do fabricante) são comumente usados em laboratórios e tem capacidade para moagem de 10 a 20 g de pó. Neste moinho um eixo de motor rotaciona uma correia que provoca a agitação vigorosa da câmara presa numa biela. O movimento da câmara acontece mutuamente perpendicular nas três direções em alta velocidade, e assim é repetido milhares de vezes por minuto, dessa forma as bolas no interior ao se chocarem entre si e contra as paredes da jarra, promovem a moagem e.

(33) 33 mistura do material. Este moinho é considerado de alta energia devido a alta velocidade das bolas, devido a agitação acelerada da câmara (1200 rpm), e que consequentemente tem uma força de impacto muito elevada. Uma grande variedade de materiais pode ser processada neste tipo de moinho, principalmente os de alta dureza, tais como alumina, carbeto de tungstênio, zircônia, aços ferramenta [26].. 2.6.3. Cadinho do processo de moagem O material usado na confecção do cadinho, também denominado câmara, jarra ou copo, tem relevância no processo de moagem visto que há risco de contaminação do material em razão do desgaste do cadinho por atrito com as bolas, no entanto a contaminação promovida pela ação da moagem é inevitável. Os materiais mais usados para confecção do cadinho e das esferas são aços carbono, aço ligados e metal duro. Outra característica importante do cadinho é o formato interno, no qual pode possuir fundo plano ou curvo, sendo que a taxa de ativação no primeiro geralmente é maior [26].. 2.6.4. Velocidade de moagem A velocidade de moagem está diretamente relacionada com a energia de moagem do pó, no entanto há limitações, em casos de velocidade muito alta as bolas ficam presas na parede interna da câmara e não exercem a força de impacto, ou seja, não colidem entre si. Dessa forma a velocidade máxima da moagem deve ser logo abaixo da velocidade crítica. O número de colisões entre as bolas e o material é maior em velocidades maiores, pois estão relacionadas a frequência de movimentação da câmara [26]. O aumento da velocidade da moagem provoca o aumento da temperatura do meio, que influencia o resultado da moagem, tornando-se vantajoso em alguns casos, como por exemplo quando a difusão promove a homogeneização do material. E a desvantagem do aumento da temperatura é que pode acelerar o processo de transformação e resultar na decomposição de soluções sólidas supersaturadas ou fases metaestáveis [26]..

(34) 34 2.6.5. Tempo de moagem O tempo de moagem é um parâmetro muito relevante, é determinado como o tempo em que ocorre o equilíbrio entre a fratura e a soldagem a frio das partículas do pó. O tempo de moagem é dependente do material, do moinho, da intensidade da moagem, da razão bola/massa do pó e temperatura [26]. O tempo de moagem deve ser definido considerando os parâmetros citados, mas vale ressaltar que longos tempos de moagem aumentam as chances de contaminação e formação de fases indesejáveis, dessa forma é recomendável otimizar o tempo de moagem de forma a obter os pós no estado final desejado no menor tempo possível [26].. 2.6.6. Razão massa das esferas/massa do material A razão entre a massa das esferas e a massa do material é um parâmetro importante da moagem e varia de 1:1 até 220:1. Geralmente, no moinho SPEX, a razão mais comum é 10:1, quando são usadas pequenas quantidades de material. No entanto, em moagens com quantidades maiores de material é requerido razão de 50:1 ou 100:1 [23] [26]. A razão esferas/material está diretamente relacionada com o tempo de moagem, quanto maior a razão menor o tempo, pois o número de colisões entre esferas aumenta, e consequentemente a energia de colisão também aumenta. O tamanho das esferas também influencia no resultado da moagem, em que esferas maiores e mais densas têm capacidade de transferir mais energia de impacto. Em alguns casos é comum utilizar esferas de diferentes tamanhos, que aumenta o número de colisões, e torna os movimentos mais aleatórios. O volume ocupado pelo material no interior da câmara não deve ser superior a 50%, considerando que as esferas requerem espaços para se movimentarem livremente. Por outro lado, quando a quantidade de pó no recipiente é pequena a eficiência da moagem é baixa [23] [26]..

(35) 35 2.6.7. Atmosfera da moagem A atmosfera da moagem é importante para a composição química do pó obtido, pois diz respeito a contaminação. A atmosfera inerte, com gás hélio ou argônio, é desejável para prevenir formação de óxidos [26]. As características do pó obtido sofrem influência da atmosfera de moagem. As ligas de alumínio obtidas por moagem de alta energia possuem óxidos (Al2O3) dispersos na matriz, sendo que essa quantidade de óxidos é dependente da atmosfera usada na moagem. Em caso de moagem em atmosfera inerte o óxido na matriz é oriundo somente do óxido que se forma sobre a superfície da partícula, já na atmosfera ambiente (ar) a quantidade de óxido é maior, pois ocorre mais oxidação durante o processo [27].. 2.7. COMPACTAÇÃO A conformação dos pós é outra etapa importante da metalurgia do pó, na qual o objetivo é formar um sólido compacto com resistência e densidade adequada, garantido a geometria final nas dimensões do projeto. O resultado da consolidação depende das características das partículas e também dos métodos de compactação utilizados. A compactação consiste em densificar um material na forma de pó em um molde, por aplicação de uma carga, de modo a obter o agregado metálico nas dimensões mais próximas possíveis da versão final do produto. A carga aplicada provoca pressão sobre as partículas que sofrem deformação, resultando em aumento do contato, da adesão entre elas e preenchimento dos espaços, e consequentemente a redução da porosidade [27]. A compactação dos pós é realizada, em uma matriz com formato da peça a ser fabricada em que a cavidade é preenchida com o pó, por aplicação de uma carga que varia de 350 a 700 MPa num movimento axial de punções, utilizando prensas hidráulicas ou mecânicas. A pressão promove a junção das partículas pelo mecanismo de solda a frio ou a quente dando forma final ao componente [3]. Existem variações no processo de compactação em função da temperatura e da forma de aplicação da carga, são estes: compactação uniaxial.

(36) 36 a frio, compactação isostática a frio e compactação uniaxial a quente e compactação isostática a quente. Na compactação uniaxial a frio a pressão sobre o pó colocado no molde é aplicada de forma uniaxial por um punção. Esta técnica apresenta a desvantagem da irregularidade de distribuição da densidade, resultante da fricção entre as partículas e a parede do molde. A densidade da peça decresce à medida que se distância da superfície em contato com o punção, isto é, onde a carga é aplicada. Esse problema pode ser minimizado com a utilização de dois punções pressionando em sentidos contrários [27]. A compactação isostática a frio reduz a heterogeneidade da densidade da peça, pois a aplicação da carga é igual em todas as direções, através de um meio de pressurização. Essa técnica consiste em compactar o pó em um molde deformável (algum tipo de borracha) através de uma câmara de alta pressão contendo um fluido. O molde que envolve e isola o pó do fluido, é colocado submerso em fluido no interior da câmara, sendo que a pressão aplicada pelo pistão no fluido é transferida para o molde isostaticamente [27]. Na compactação uniaxial a quente o processo de sinterização ocorre simultâneo a compactação, isso exige o controle criterioso da temperatura, geralmente 2/3 da temperatura de fusão. A aplicação da pressão uniaxial na matriz juntamente com a aplicação de calor, por meio de uma corrente elétrica que atravessa a matriz, resulta na consolidação dos pós [27]. A compactação isostática a quente consiste na aplicação de carga igual em todas as direções e aplicação simultânea de calor. O pó geralmente é pré compactado, encapsulado e desgaseificado. O molde deve suportar a temperatura de prensagem e não pode reagir com o pó. É necessário controlar a temperatura do fluido, que geralmente é um gás. As peças obtidas nesse processo possuem propriedades mecânicas elevadas [27]. Os fatores que afetam a compactação das partículas estão: a geometria que pode limitar o movimento dos punções, o atrito entre as partículas e a parede da matriz, variação no formado das partículas, propriedades mecânicas do componentes sinterizados em função da densidade. A densidade do produto depende dos fatores da compactação que afetam também a sinterização do compactado. A lubrificação do molde reduz o atrito das partículas com a parede do molde e facilita a ejeção do compactado, diminuindo a formação de gradiente de densidade. A velocidade de.

(37) 37 compactação é um fator importante, pois durante prensagem, quando as partículas são submetidas à pressão, elas se rearranjam antes de iniciar a deformação plástica. O resultado de velocidades de compactação altas é a baixa densidade do compactado, e ainda que a pressão aplicada seja a mesma, a densidade varia em função da velocidade aplicada na compactação. O tamanho e forma da partícula afetam a densidade final do compactado, visto que partículas irregulares e muito pequenas apresentam maior área de superfície resultando em menor densidade. As partículas de diferentes tamanhos tendem a uma melhor compactação e densidade maior [24].. 2.8. SINTERIZAÇÃO O componente prensado é definido produto verde, o qual deve passar pela sinterização em uma temperatura menor que a temperatura de fusão, geralmente varia de 2/3 a 3/4. O mecanismo de difusão dos átomos permite que as partículas se unam e formem os grãos, promovendo a resistência mecânica, dureza e densidade do produto [3]. A sinterização é a última etapa do processo de metalurgia do pó e constitui a consolidação final dos pós metálicos por meio da difusão de átomos ou vacâncias. O processo termodinâmico de sinterização, ativada termicamente, envolve a difusão de átomos e redução da área superficial específica, resultando na formação de contornos de grãos e contração volumétrica. O componente compactado possui grande área superficial especifica, sendo assim a energia livre do sistema é alta, pois é proporcional a área superficial, dessa forma para o sistema entrar em equilíbrio a energia livre deve ser reduzida através da sinterização que consiste em diminuir a área superficial [28] [29]. A aplicação de calor ativa a sinterização, as partículas que estão em contato e possuem energia suficiente promovem a coalescência, isto é a união das superfícies. O mecanismo difusional inicia a interação entre as partículas a partir do crescimento de grão e surgimento de um pescoço. A fase final da sinterização caracteriza-se pelo surgimento de poros fechados e isolados no contorno de grão. A aproximação das partículas tem como consequência a redução volumétrica da peça, ou seja, a densificação[30]. A sinterização pode ser classificada em três tipos: sinterização em fase sólida, sinterização em fase liquida e sinterização em fase vapor. A sinterização.

(38) 38 em fase sólida ocorre quando o processo é completamente em estado sólido, tanto em material cristalino como amorfo, sendo a difusão o mecanismo de transporte de massa. Na sinterização em fase líquida há formação de fase líquida durante o processo devido a fusão de um dos elementos presente na mistura, este tipo permite a máxima densificação com pequena porosidade residual, promovido o transporte de massa por difusão e fluxo viscoso. A sinterização em fase vapor envolve a sinterização com presença de fase vapor através de evaporação e condensação, este não tem valor tecnológico [29] [31]. A sinterização no alumínio segue uma característica particular devido a formação da camada óxido sobre as partículas que dificulta a sinterização [32]..

(39) 39 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O procedimento experimental desse trabalho consistiu na seleção das latas de alumínio para bebidas, que posteriormente foram fragmentadas por moagem de alta energia variando o tempo de moagem, compactados a frio e sinterizados. A caracterização do pó obtido e dos produtos foi realizada conforme a metodologia descrita a seguir. A Figura 8: Fluxograma simples do processo de obtenção e caracterização da liga reciclada de alumínio [Autor]. Figura 8 apresenta um fluxograma do processo realizado na pesquisa. Figura 8: Fluxograma simples do processo de obtenção e caracterização da liga reciclada de alumínio [Autor]. Seleção das latas. Corte manual. Moagem de alta energia. Caracterização dos produtos. Compactação e sinterização. Caracterização do pó. 3.1. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS 3.1.1. Seleção do material As latinhas de alumínio foram selecionadas considerando apenas as de um mesmo fabricante, e que são produzidas a partir de ligas dos sistemas Al-Mg e Al-Mn, mais especificamente as ligas 3004, 5042 e 5182. Estas foram picotadas com tesoura em tamanho de aproximadamente 5 x 5 mm, incluindo o corpo, a tampa e o lacre da lata, como mostra a Figura 9. Esse procedimento foi realizado com intuito de facilitar a pesagem da sucata e também porque o vaso do moinho não tem capacidade para grandes cargas de material..

(40) 40 Figura 9: Lata de alumínio recortada [Autor].. 3.1.2. Moagem de alta energia A moagem de alta energia foi realizada utilizando um moinho agitador do tipo Spex (Figura 10) de alta rotação, com relação 10:1 entre o peso das bolas e o peso do material. Para cada moagem foram usadas 5 bolas, totalizando 30 gramas de massa, com 3 gramas de sucata de alumínio.. Figura 10: Moinho Spex. Adaptado de Suryanarayana [26]..

(41) 41 Foram realizados três tempos de moagem diferentes, 1h, 1h30min e 2h, mantendo-se a mesma velocidade, a atmosfera comum (ao ar) e relação bola/carga. Na Figura 11 é mostrado macroscopicamente o aspecto do pó obtido.. Figura 11: Pó de alumínio obtido por MAE [Autor].. 3.1.3. Compactação e sinterização Após a moagem de alta energia, cada pó de alumínio obtido foi submetido aos processos de compactação e de sinterização visando consolidar o pó em um produto de grande volume. Na compactação o pó foi colocado em uma matriz metálica, no qual a cavidade possui geometria na forma cilíndrica nas dimensões de 5 mm de diâmetro e 10 mm de altura. O pó na cavidade da matriz foi submetido à um carregamento uniaxial de 400 MPa utilizando uma prensa hidráulica para efetivar a compactação. Foram confeccionados 12 corpos de prova, sendo 4 para cada um dos tempos de moagem, isto é, 1h, 1h30min e 2h. Os corpos de prova a verde foram submetidos ao processo de sinterização, o qual foi realizado no forno a uma temperatura de 600 ºC (definida no ensaio de dilatometria), à velocidade de aquecimento de 10ºC/min e patamar de 1h, totalizando o tempo de 2h, sendo que as amostras foram deixadas no forno até o resfriamento. Para atmosfera de sinterização foi utilizado o gás argônio..