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 Vilmar Luis Rossi
INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E DOS
PARÂMETROS DE PROCESSO SOBRE A RESISTÊNCIA À CORROSÃO EM PEÇAS FUNDIDAS USANDO AS LIGAS DE ALUMÍNIO 356 E A356
Apresentada em 16 / 07 / 2004 Perante a Banca Examinadora:
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: VILMAR LUIS ROSSI – Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. GUILHERME OURIQUE VERRAN
CCT/UDESC – JOINVILLE
INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E DOS
PARÂMETROS DE PROCESSO SOBRE A RESISTÊNCIA À CORROSÃO EM PEÇAS FUNDIDAS USANDO AS LIGAS DE ALUMÍNIO 356 E A356
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. GUILHERME OURIQUE VERAN
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
“INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E DOS
PARÂMETROS DE PROCESSO SOBRE A RESISTÊNCIA À CORROSÃO
EM PEÇAS FUNDIDAS USANDO AS LIGAS DE ALUMÍNIO 356 E A356”
por
Vilmar Luis Rossi
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
na área de concentração “Fundição de Alumínio”, e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. Guilherme Verran – UDESC (Presidente)
Banca Examinadora:
Dr. César Edil da Costa – UDESC
Dr. Wilson Luiz Guesser – UDESC
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FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: ROSSI, Vilmar Luis DATA DEFESA: 16/07/2004 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 39– CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais
TÍTULO: Influência da Composição Química e dos Parâmetros de Processo Sobre a Resistência à Corrosão em Peças Fundidas Usando as Ligas de Alumínio 356.1 e A356.1
PALAVRAS - CHAVE: ligas de alumínio, fundição, rotores, corrosão, corrosão intergranular. NÚMERO DE PÁGINAS: 101 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 4100201600P9
ORIENTADOR: Dr. Guilherme Ourique Verran
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Guilherme Ourique Verran
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AGRADECIMENTOS
§ Ao Prof. Dr. Guilherme Ourique Verran, que como orientador e amigo soube cobrar e
não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização deste trabalho.
§ A Deus pela vida, família, trabalho, estudo, conhecimento e amigos verdadeiros que Ele
colocou ao meu redor.
§ 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.
§ Ao Centro de Ciências Tecnológicas – CCT e ao Departamento de Engenharia
Mecânica – DEM pela infra-estrutura oferecida.
§ A todos os professores e colegas mestrandos do Curso de Mestrado em Ciência e
Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
§ A minha esposa Ana pela compreensão, companheirismo e apoio durante esses anos de
estudo.
§ Aos meus pais Avelino e Terezinha pelo apoio, investimento e incentivo transmitido
durante todo o Curso de Mestrado.
§ Aos demais familiares e amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o
vii
§ As Indústrias Schneider S/A, pela colaboração pelo apoio financeiro para a realização
desta pesquisa.
§ Aos funcionários das Indústrias Schneider, pala compreensão e apoio técnico e moral
recebido durante o desenvolvimento desse trabalho.
§ A Tupy Fundições e seus funcionários, pela compreensão e colaboração na
disponibilização de seus laboratórios para o desenvolvimento desta pesquisa,
§ Pelos alunos da Universidade do Estado de Santa Catarina, em especial aos alunos
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO GERAL ... 1
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 4
2.1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS ... 4
2.1.1. Introdução... 4
2.1.2. História do Alumínio - Obtenção do Alumínio... 5
2.1.3. Obtenção do Alumínio Primário - Metal de Alta Pureza ... 5
2.1.4. Obtenção do Alumínio Secundário... 6
2.1.5. Propriedades do Alumínio... 9
2.1.6. Formas Usuais de Fornecimento ... 9
2.1.7. Designação das Ligas de Alumínio ... 9
2.1.8. Classificação e Processamento do Alumínio... 10
2.2. FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO ... 13
2.2.1. Introdução... 13
2.2.2. Características e Aplicações das Ligas de Alumínio para fundição... 14
2.2.3. Controle do Processo de Fundição do alumínio ... 17
2.2.4. Cuidados no Processo de Fundição do Alumínio... 18
2.3. CORROSÃO ... 22
2.3.1. Introdução... 22
2.3.2. Conceitos de Corrosão... 23
2.3.3. Reações Eletroquímicas... 25
2.3.4. Mecanismos de Corrosão... 26
2.3.5. Meios Corrosivos... 28
2.3.6. Passivação... 29
2.3.7. Formas de Corrosão... 30
2.3.8. Corrosão sob Solicitações Mecânicas... 31
2.3.9. Corrosão em Ligas de Alumínio... 33
2.3.9.1. Corrosão por Pites (Corrosão Localizada)... 34
2.3.9.2. Corrosão Intergranular e (ou) Intragranular ... 37
2.3.10. Proteção Anticorrosiva ... 39
2.3.11. Efeito das Impurezas e dos Elementos Residuais na Resistência à Corrosão ... 39
2.4. ENSAIOS DE CORROSÃO... 41
2.4.1. Introdução... 41
CAPÍTULO 3 - MÉTODOS EXPERIMENTAIS ... 45
3.1. Introdução ... 45
3.2. Metodologia Experimental... 46
3.2.1. Abordagem Inicial - Busca e Registro de Informações... 46
3.2.2. Avaliação de Matérias Primas ... 47
3.2.3. Avaliação da Influência dos Elementos Residuais (Cu e Zn) – Ensaios de Laboratório ... 47
3.3. Programação das Corridas Experimentais ... 48
3.4. Corridas Experimentais... 50
3.4.1. Descrição das Corridas Experimentais... 51
3.4.2. Equipamentos ... 52
3.4.3. Materiais de Consumo... 53
3.5. Caracterização e Avaliação dos Resultados ... 53
3.5.1. Análise Metalográfica... 54
3.5.2. Análise Química ... 54
3.5.3. Ensaios de Corrosão ... 55
3.5.4. Condições do Ensaio ASTM G110-92 ... 57
3.5.5. Análise da Profundidade do Ataque de Corrosão... 58
3.5.6. Avaliação Superficial Após o Ensaios de Corrosão ... 60
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES... 61
4.1. Introdução ... 61
4.2. Primeira Etapa - Levantamento e Caracterização do Problema ... 61
4.2.1. Abordagem Inicial do Problema... 61
4.2.2. Ensaios de Campo Realizados na Indústria... 66
4.2.3. Considerações Sobre a Primeira Etapa... 72
4.3. Segunda Etapa - Avaliação de Matérias Primas... 72
4.3.1. Microestrutura das Ligas Avaliadas ... 73
4.3.2. Perda em Massa para as Ligas Avaliadas... 74
4.3.3. Profundidade do Ataque de Corrosão ASTM G110-92 para as Ligas Avaliadas ... 75
4.3.4. Considerações Sobre a Segunda Etapa... 80
4.4. Terceira Etapa - Influência dos Elementos (Cu, Zn) na Resistência à Corrosão . 81 4.4.1. Influência dos Elementos Cobre e Zinco de Forma Combinada ... 82
4.4.2. Influência do Elemento Cobre... 85
4.4.3. Influência do Elemento Zinco ... 87
4.4.4. Considerações Sobre a Terceira Etapa ... 88
4.5. Avaliações da Superfície Após os Ensaios Normalizados ASTM... 89
CAPÍTULO 6 – SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS... 92
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 93
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO GERAL
Os processos de fundição de ligas leves vêm conquistando cada vez mais espaço no segmento industrial, porém o domínio das técnicas de fundição e de projetos não acompanhou esta evolução, fazendo com que, na maioria das vezes o projeto e a fabricação de peças fundidas passem por novas avaliações e definições visando adequações aos requisitos dos produtos. Na fundição de peças em ligas de alumínio, além dos problemas inerentes ao processo de fabricação, existe a necessidade de análises criteriosas de como o processo pode influenciar no desempenho e na durabilidade dos produtos obtidos.
Apesar do elevado nível de desenvolvimento do estado da arte e do razoável conhecimento científico e tecnológico dos fenômenos e mecanismos de corrosão em ligas de alumínio, em algumas situações, como no caso do presente estudo, existe uma grande combinação de fatores das mais diferentes origens que podem contribuir para a degradação das ligas de alumínio fundidas.
Este trabalho descreve uma pesquisa realizada no Labfund - Laboratório de Fundição do DEM/CCT/UDESC - que investigou a ocorrência de corrosão severa em rotores de motobombas, através de um estudo metalúrgico que envolveu a análise dos requisitos necessários ao produto, as principais características das ligas de alumínio e os procedimentos de fundição utilizados na fabricação destes rotores, bem como os possíveis mecanismos de corrosão em função da presença de elementos na forma de impurezas na liga base utilizada, no caso a liga Al7Si0,3Mg.
serviço, a condições agressivas, tanto sob o ponto de vista mecânico como químico fazendo com que o mesmo deva ser fabricado sob rigoroso controle do processo de fabricação e das matérias primas utilizadas.
As figuras 1.1 e 1.2 ilustram a forma característica da aplicação do referido rotor e uma das várias formas de corrosão possíveis neste componente.
Figura 1.1 – Conjunto motobomba. (cortesia Indústrias Schneider S.A.)
Figura 1.2 – Rotor com corrosão. (corrosão localizada)
A parte inicial deste estudo – Capítulo 2 – apresenta uma revisão bibliográfica sobre alumínio e suas ligas, fundição do alumínio, corrosão, e ensaios de corrosão, assuntos estes fundamentais para o entendimento posterior dos procedimentos e resultados experimentais.
A parte experimental – Capítulo 3 – destaca a necessidade de buscar e registrar informações para uma abordagem completa do componente em estudo e a avaliação de matérias primas quanto à influência dos seus elementos residuais (Cu e Zn).
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
2.1.1. Introdução
Em razão de suas boas propriedades físicas e químicas, o alumínio e suas ligas tornaram-se materiais imprescindíveis na construção civil, nas indústrias, em máquinas e instalações em geral (MAGNESIUM, 2001).
A grande importância técnica do alumínio deve-se as propriedades como sua baixa densidade (2,6 a 2,8 g/cm3), elevada relação resistência/peso, elevada resistência à corrosão, endurecibilidade de muitas ligas, boa aparência, fabricabilidade, possibilidade de tratamentos superficiais, boas propriedades físicas e mecânicas.
Quanto a usinabilidade, as ligas de alumínio são consideradas, de uma maneira geral, de fácil usinabilidade, oferecendo várias vantagens importantes, incluindo velocidades de corte quase ilimitada, baixas forças de corte, excelente acabamento, bom controle dimensional e longa vida da ferramenta.
2.1.2. História do Alumínio - Obtenção do Alumínio
Apesar de ser o mais abundante metal na crosta terrestre, o alumínio não se encontra naturalmente na forma de metal. Porém, segundo pesquisas, este material já era usado há mais de sete mil anos quando os ceramistas da Pérsia faziam seus vasos de um tipo de barro contendo óxido de alumínio, o que hoje conhecemos como alumina. Trinta séculos depois, os Egípcios e Babilônicos usavam outro tipo de alumínio em suas fábricas de cosméticos e produtos medicinais. Até então, ninguém sabia sobre o alumínio. Mas a história do alumínio como hoje a conhecemos é recente. Começou em 1808, quando Humphrey Davy, provou a existência do alumínio, dando-lhe este nome. Após esta descoberta, passou por varias melhorias de processo, até que Charles Martin Hall, em 1886, colocou num recipiente um banho de criolita contendo alumina e passou uma corrente elétrica produzindo o alumínio puro, dando origem ao primeiro processo de transformação do alumínio em quantidade (ALCOA, 2003).
2.1.3. Obtenção do Alumínio Primário - Metal de Alta Pureza
Embora existam numerosos minérios que originam o alumínio, encontrados em grandes quantidades no mundo todo, o minério normalmente utilizado na produção de alumínio é a bauxita. Ela é composta de uma variedade de substâncias, com o óxido de alumínio sendo o seu componente dominante (ALCOA, 2003). A alumina sai da mina, e é enviada à usina metalúrgica, onde isola-se o óxido de alumínio por meio da retirada dos outros componentes (óxidos de ferro e de silício).
Segundo ALCOA (2003) E ALCAN (2003), a obtenção do alumínio primário normalmente segue as seguintes etapas:
1º) Processo químico: obtém-se a alumina a partir da bauxita com o uso de uma solução concentrada de soda cáustica para separar o óxido de alumínio das impurezas existentes no minério. Em seguida, este material é precipitado e transformado em hidrato de alumínio para se tornar novamente um produto sólido, que é calcinado a uma temperatura de cerca de 1.000ºC e transformado na alumina metalúrgica (matéria-prima para a produção do alumínio) ou especial (usadas nas indústrias de cerâmicas e refratários especiais) (ALCOA, 2003; ALCAN, 2003).
2º) Fornos de reduções: esta alumina produzida pelo processo químico passa para a segunda parte do processo, a etapa eletrolítica, que utiliza a eletricidade para produzir uma reação química. A alumina é depositada nos fornos das reduções, que possuem dois eletrodos para a condução de energia (anodo e o catodo). O primeiro é a pasta Soderberg e o segundo é formado por blocos de carbono. A eletrólise ocorre com a adição de banhos de sais de flúor fundidos (criolita e fluoreto de alumínio) (ALCOA, 2003; ALCAN, 2003).
3º) Refusão: Finalmente, o alumínio líquido é encaminhado a refusão, onde é feita a correção química, ou misturado com elementos de ligas que concederão características próprias de resistência, dureza e outras propriedades, formando as ligas especiais de alumínio (ALCOA, 2003; ALCAN, 2003).
2.1.4. Obtenção do Alumínio Secundário
principalmente o setor de alumínio (com destaque para a reciclagem de latas para bebidas) que colocou a atividade de reciclagem na ordem do dia de empresas, ambientalistas, autoridades governamentais e cidadãos comuns interessados em preservar o meio ambiente (ALCAN, 2003).
O processo de reciclagem de metais é economicamente viável, pois elimina as etapas de mineração e redução, que são etapas caras, e agrega a etapa de coleta e separação do material. O processo pode então ser reduzido à coleta, fusão e conformação.
O conceito de metal “secundário” leva ao conceito de sucata. “A sucata é todo metal ou ligas inservíveis no estado em que se acha, por motivo de obsolência, ou como decorrência do processo de produção, como: cavacos, rejeitos de controle de qualidade, restos de estamparia, de fundição (canais e montantes), ou ainda, borras, cinzas ou escórias” (BRADASCHIA, 1987). Existem muitos autores que descrevem o ciclo dos metais, mas de forma simplificada será utilizada a Figura 2.1 (BRADASCHIA, 1987), para ilustrar este item da Dissertação, que é de caráter geral para qualquer material não ferroso e mostra o ciclo do metal primário e do metal secundário (BRADASCHIA, 1987).
Figura 2.1 - Ciclo do metal primário e do metal secundário (BRADASCHIA, 1987).
MINÉRIOS
PRODUTOR PRIMÁRIO
METAL PRIMÁRIO
RECOLHEDOR (SUCATEIRO)
METAL SECUNDÁRIO RECUPERADOR
SUCATA NOVA
SUCATA VELHA TRANFORMADORES
(FABRICANTES)
Os metais secundários podem ser tão bons quanto os primários para a maioria das aplicações. Todavia, propriedades tais como forjabilidade, condutividade elétrica e resistência à corrosão podem ser seriamente afetadas por diminutos teores de impurezas metálicas ou de inclusões não metálicas (BRADASCHIA, 1987). No entanto, a qualidade dos metais secundários pode ser bastante melhorada, desde que as técnicas de reciclagem e os processos de seleção sejam convenientemente aperfeiçoados (BRADASCHIA, 1987; CAMPBELL, 1994).
As fundições para “uso interno”, principalmente as fundições que operam com diversos metais e ligas não ferrosas, devem ter o cuidado para que as segregações de sucata seja a mais cuidadosa possível, evitando-se contaminações desnecessárias que irão baixar a qualidade do metal recuperado (BRADASCHIA, 1987; CAMPBELL, 1994).
A classificação das sucatas, de uma maneira geral, poderá ser:
• Sucata de retorno, ou sucata interna: esta sucata é constituída de canais, montantes e peças defeituosas refugadas. Esta, uma vez que convenientemente selecionada por tipo de liga, voltará para refusão, na composição de uma nova carga, na própria fundição (BRADASCHIA, 1987).
• Cavacos de usinagem, rebarbas e outros fragmentos semelhantes: estes tipos de sucata poderão ser recuperados por empresas especializadas (recuperadores) ou pela própria fundição, devendo ser adotada uma técnica de fundição como: secagem, separação magnética de partículas, fusão em condições adequadas, lingotagem adequada e análise da composição química para controle das perdas e das impurezas. Mesmo tomando-se todos estes cuidados, não é aconselhável o preparo de cargas usando somente este tipo de sucata recuperada, em virtude dos possíveis teores elevados de inclusões metálicas e (ou) não metálicas (BRADASCHIA, 1987).
• Bôrras, óxidos e escórias: estas sucatas só poderão ser eficientemente recuperadas pelas empresas especializadas que, depois de extraírem a parte metálica, utilizarão os resíduos para fabricar produtos químicos a base de óxidos, cloretos, sulfatos, entre outros (BRADASCHIA, 1987).
2.1.5. Propriedades do Alumínio
As propriedades do alumínio são as mais diversas e o conhecimento de suas propriedades torna-se importante dependendo da aplicação e da forma que se pretende processar o alumínio, como por exemplo: peso específico, ponto de fusão, condutividade térmica, ductibilidade, resistência mecânica e à corrosão, entre muitas outras propriedades que podem variar de uma liga para a outra como será visto no decorrer desta Dissertação e que o usuário deve conhecer antes de especificar uma liga de alumínio para uma determinada aplicação.
2.1.6. Formas Usuais de Fornecimento
O alumínio pode ser fornecido na forma pura (metal primário e de alta pureza) ou misturado com elementos de ligas que concederão características próprias de resistência, dureza e outras propriedades, formando as ligas especiais de alumínio (ALCOA, 2003). As ligas são materiais com propriedades metálicas, compostas por dois ou mais elementos químicos, dos quais um é sempre metal. As ligas de alumínio são misturas intencionais de elementos onde o alumínio é o predominante (ALCOA, 2003).
2.1.7. Designação das Ligas de Alumínio
6864, onde as ligas para fundição são classificadas em séries, sendo que cada série agrupa as ligas que possuem na sua composição o(s) elemento(s) de liga principal(is). A designação é feita por quatro dígitos, sendo que o último é separado por um ponto dos três primeiros (xxx.x), e indica a forma de fornecimento do produto. Sendo ‘0’ (zero) – peça fundida, o ‘1’ – lingote fundido geralmente a partir de peças, retornos (liga secundárias), o ‘2’ – lingotes de ligas geralmente feitas a partir de alumínio primário. As principais aplicações podem ser resumidas, de acordo com a designação, da seguinte forma (TONOLLI, 1978; ALEXANDER, 2003; WOOD, 2003).
• Liga 1xxx: Indústrias química e elétrica
• Liga 2xxx: Aeronaves (graças a sua elevada resistência mecânica)
• Liga 3xxx: Aplicações arquitetônicas e produtos de uso geral
• Liga 4xxx: Varetas ou eletrodos de solda e chapas para brasagem
• Liga 5xxx: Produtos expostos à atmosfera marinha como cascos de barcos
• Liga 6xxx: Produtos extrudados de uso arquitetônico
• Liga 7xxx: Componentes onde se requer elevados requisitos de resistência. Esta liga é a que possui a maior resistência mecânica entre as ligas de alumínio.
Obs: Em muitas ligas uma letra antecede os números. Esta letra serve para distinguir as ligas em relação a pequenas variações de impurezas ou de elementos com pequenos percentuais. Ex: A liga A356 apresenta melhores propriedades em relação à liga 356, por apresentar teores mais baixos de Fe, Cu, Zn e Ti (ASM, 1996; 24).
2.1.8. Classificação e Processamento do Alumínio
a) Ligas para deformação plástica: São ligas desenvolvidas para obtenção de produtos através da conformação mecânica. Essas ligas apesar de possuírem baixos teores de elementos de liga, apresentam elevadas propriedades mecânicas, principalmente as ligas que são tratadas termicamente. Em função da sua composição química, suportam deformações plásticas, podendo ser trabalhadas a quente e/ou a frio dependendo da necessidade, da forma de fornecimento da matéria prima e das propriedades e acabamento desejados, entre estes processos podemos citar: trefilação, extrusão, repuxo, laminação, forjamento. A forma de fornecimento pode ser: lingote, perfis, barra, arame, tubo, chapa, tarugo, entre outras formas (MOLINARI, 1978; ASM, 1996).
A tabela 2.1 mostra o sistema de classificação de ligas de conformação mecânica conforme The Aluminum Association Inc., Associação dos Produtores Norte-Americanos.
Tabela 2.1 - Designação das ligas de alumínio de conformação mecânica
Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga
1xxx Alumínio puro (99% pureza mínima)
-2xxx Cu Mg , Li
3xxx Mn Mg, Cu
4xxx Si
-5xxx Mg
-6xxx Mg , Si
-7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr
8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg
-9xxx Reservado para uso futuro
A tabela 2.2 mostra a designação das ligas de alumínio para fundição, conforme
The Aluminum Association Inc. (MOLINARI, 1978; ASM, 1996).
Tabela 2.2 - Designação das ligas de alumínio para fundição
Série Elemento(s) de liga principal(is) Outros elementos de liga
1xx.x Alumínio puro (99% pureza mínima)
-2xxx Cu
-3xxx Si, Mg, Cu
-4xxx Si
-5xxx Mg
-6xxx -
-7xxx Zn
-8xxx Sn
-Como exemplo de fornecimento de metal primário, segue abaixo as tabelas contendo a Composição química do metal primário e de ligas fornecido pela Alcoa [ALCOA, 2003]. Como pode ser verificado, o alumínio é fornecido pelos seus elementos principais, porém, segundo as Tabelas 2.3 e 2.4, as ligas de alumínio primário podem conter algum residual de elementos, como é o caso da liga A356.2, utilizada nesta pesquisa que poderá ser fornecida, com os limites residuais máximos de 0,12% de Fe e de 0,03% de Cu. A tabela 2.3 apresenta a composição química do metal primário.
Tabela 2.3 - Composição química do metal primário (ALCOA, 2003)
CÓD Mínim o
Alum ínio
Si Fe Mg Ti Sr Ca Cu Sb N i Sn Pb Mn Zn Ga Out ros% Tot al
P 1535 99.50 0.15 0.35 0.03 0.04 0.03 0.10
P 1020 99.70 0.10 0.20 0.03 0.04 0.03 0.10
P 1015 99.80 0.10 0.15 0.03 0.04 0.03 0.10
P 0610 99.85 0.06 0.10 0.03 0.04 0.02 0.05
A tabela 2.4 apresenta a composição química do de ligas de alumínio fornecidas pela Alcoa (ALCOA, 2003).
Tabela 2.4 - Composição de ligas [ALCOA, 2003]
Código Lim it es Si Fe Mg Ti Sr Ca Cu B Mn Zn Cr Oc Tot al
A356.2 Sr CÓD S1 USL LSL 7,5 6,5 0,12 0,45 0,30 0,20 0,10 0,03 0,01
0,003 0,03 0.05 0.05
A356.2 Mn CÓD N1 USL LSL 7,5 6,5 0,12 0,45 0,30 0,20 0,10
0,03 0,1 0.05
ALSi 7% CÓD A1 USL LSL 7,5 6,5 0,12 0,30 0,22 0,12 0,08 0,05 0,03
0,003 0,03 0,05 0,05 0 0,1
ALSi 9% CÓD G1 USL LSL 9,8 9,2 0,10 0,32 0,24 0,15 0,10 0,04 0,03
0,025 0,01 0,1 0,015
AlSi Mn 11% CÓD F1
USL LSL
12 11
0,10 0,05 0,13 0,09
0,06 0,04
0,002 0,03 0,1
0,05
0,05 0 0,1
AlSi 11% CÓD B19 USL LSL 13 11
0,30 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0 0,13
E.C. CÓD E1
USL LSL
0,10 0,20 0,01 0 0 0,003 0,01 0,02
0,01
0 0,03 0 0,1
Onde, na tabela acima, USL se aos limites máximos permitidos e LSL refere-se aos limites mínimos permitido para as ligas.
Quando não se necessita da um alumínio de elevada qualidade, pode ser utilizado alumínio fornecido por empresas especializadas na reciclagem do alumínio que podem fornecer ligas de alumínio de acordo com normas como, por exemplo, a Norma da The
Aluminum Association Inc, pois segundo (WEINGAERTNER, 1991), os metais
secundários podem ser tão bons quanto os primários para a maioria das aplicações.
2.2. FUNDIÇÃO DO ALUMÍNIO
2.2.1. Introdução
técnicas usadas em fundição de alumínio, dependendo do tamanho, complexidade e quantidade do produto final desejado, produtividade, grau de automação, precisão dimensional, acabamento superficial (ALCOA, 2003).
Entretanto o tipo de molde pode influenciar nas propriedades físicas do material resultante, como por exemplo, a taxa de extração de calor através do molde que determinar o tamanho final de grão e, portanto a característica de resistência mecânica da peça, por este e outros motivos, os processos de fundição são muitas vezes classificados de acordo com o tipo de molde utilizado, podendo ser classificados em quatro grupos básicos: areia verde (molde é descartável), molde permanente (molde é metálico, bipartido), injeção (molde é metálico, e o metal líquido entra sob pressão), cera perdida (molde e modelo são descartáveis) (MOLINARI, 1978; ALCOA, 2003; HATCH, 1994).
2.2.2. Características e Aplicações das Ligas de Alumínio para fundição
A composição química das ligas de alumínio de uso comercial é de grande importância no desenvolvimento de um produto. Teoricamente as melhores combinações de resistência e ductilidade em ligas metálicas resultam de uma estrutura monofásica, onde todos os elementos estão dissolvidos na matriz. Para o alumínio, isto não é possível, pois a solubilidade dos elementos é muito limitada. A maioria das ligas do alumínio são polifásicas, isto é, formadas de uma matriz (solução sólida) e de fases precipitadas. A quantidade, tamanho, forma e distribuição destes precipitados dependem da: Composição química, processo e técnica de fundição, tratamentos térmicos. De forma geral, pode-se separar a influência dos elementos nos seguintes grupos: (MOLINARI, 1978; TONOLLI, 1978).
• Elementos secundários: cujos percentuais são menores e tem como objetivo uma ação específica para se obter uma determinada propriedade de uso ou característica de fundição (Ex. Níquel, Chumbo e estanho).
• Elementos modificadores, refinadores ou neutralizadores: são usados em pequenas quantidades com a finalidade de alterar a microestrutura (Ex. Sódio, Estrôncio, Titânio, Boro, Fósforo e Antimônio).
• Elementos tidos como impurezas: devem ser controlados ou balanceados rigorosamente, em geral exercem influência negativa sobre as propriedades ou características de fundição. (Ex. Hidrogênio, Ferro, Sódio, Fósforo)
Conforme a tabela 2.2 que mostra a designação das ligas de alumínio para fundição, segundo The Aluminum Association Inc. a qual é indicada e aceita por vários autores (GENTIL, 1994; MOLINARI, 1978; TONOLLI, 1978; BURTON e al, 1964) pode-se as principais características de cada série como:
• Série 1.XXX – 99,0% mínimo de alumínio: Alumínio puro, este é utilizado principalmente em rotores de motores elétricos, condutores de eletricidade e indústria química e alimentícia.
• Série 2.XXX – Alumínio-Cobre:Nestas ligas o teor da Cobre varia entre 4 a 10%. As ligas Al-Cu possuem boa resistência mecânica e excelente usinabilidade, porém sua fundibilidade é pior que as ligas Al-Si. As propriedades mecânicas podem ser melhoradas através de tratamento térmico. Estas ligas não são recomendadas para peças que requerem estanqueidade ou que possuem forma complexa, pois, estão sujeitas à trincas a quente. Também deve se ter cuidado com problemas de corrosão em ligas contendo cobre.
contração e poucas trincas a quente. Estas ligas apresentam: boa resistência à corrosão, boa soldabilidade, baixo peso específico.
Um grupo bastante utilizado é o das ligas Al-Si-Mg, endurecíeis por tratamento térmico pela precipitação do composto Mg2Si. A liga mais popular é a liga 356 com
7% de Si e 0,3% Mg, usada na indústria automobilística e fabricação de bielas. Possui excelente soldabilidade, resistência à corrosão, estanqueidade e ótima fundibilidade.
Outra característica importante é que as propriedades mecânicas e físicas desta liga podem ser melhoradas com o tratamento térmico.
• Série 5.XXX – Al-Mg: São caracterizadas pela excelente resistência à corrosão, ótima usinabilidade e boa aparência quando anodizadas, se comparadas com as ligas Al-Si. Estas ligas são usadas principalmente em ambientes marinhos [ASM, 1996]. Como estas ligas apresentam maior tendência à oxidação no estado líquido, são necessários maiores controles nas fusões e vazamento, principalmente em relação à temperatura, onde geralmente são utilizadas pequenas adições de Berílio (0,003 a 0,007%) para ajudar a evitar a oxidação do metal.
• Série 6.XXX – Esta série não é utilizada para fundição (ASM, 1996)
• Série 7.XXX – AL-Zn: Estas ligas apresentam boas propriedades e são mais difíceis de serem fundidas. As ligas Al-Zn envelhecem a temperatura ambiente. Geralmente são utilizadas em peças que exigem determinadas propriedades, nas quais há dificuldade de serem tratadas devido a distorções e trincas causadas pelo brusco resfriamento do tratamento.
• Série 8.XXX – Al-Sn: Estas ligas foram desenvolvidas para mancais e buchas, onde são capazes de suportar altas cargas e resistência a fadiga. Estas ligas possuem superior resistência à corrosão, comparadas com outros metais usados para mancais. São utilizadas na fundição em areia e coquilha, no entanto cuidados especiais devem ser tomados com o sistema de alimentação para evitar trincas à quente.
2.2.3. Controle do Processo de Fundição do alumínio
Não basta só controlar a composição química, deve-se também controlar a microestrutura, principalmente controlar o grau de oxidação e o nível de porosidade por hidrogênio nos lingotes. Na compra dos lingotes deve-se exigir Certificado da Composição Química. No controle do recebimento deve-se fazer análise para confirmação da composição e através da quebra do lingote verificar o grau de oxidação e nível de porosidade. Também, a composição química, propriedades físicas e mecânicas devem estar em conformidade com alguma norma como, por exemplo, AA (Aluminum Association) (MOLINARI, 1978).
Para se ter um controle efetivo do processo de fundição, é necessário ter um bom controle sobre as principais fontes onde se originam as impurezas, podendo ser citadas: matéria prima ou lingotes de má qualidade (podem conter elementos tidos como impurezas ou possuir óxidos), material reciclado de má qualidade (massalotes, sistemas de alimentação, sucata de peças velhas, cavacos de usinagem, retalhos de estampagem, latinhas de bebidas, borra de fundição), gases em solução, produtos usados para modificação, misturas de ligas ou outros materiais (ferro, tinta, areia, óleo, graxas, plásticos etc), incorporação de inclusões não metálicas (óxidos, escórias, refratários, abrasivos, umidade, areia, etc). Somente com um controle efetivo das fontes de impurezas e somado com um controle de qualidade do produto final, pode-se ter qualidade assegurada. Dentre as conseqüências do uso de matéria prima de má qualidade podem ser citadas e divididas em etapas do processo como:
1. Na fundição de peças:
• Inclusões não metálicas, pontos duros nas peças;
• Porosidades nas peças;
• Maiores gastos com limpeza dos banhos;
• Maiores perdas de alumínio (oxidação);
2. No acabamento de usinagem das peças:
• Trincas nas peças;
• Dificuldade de usinagem;
• Desgaste de ferramentas de usinagem;
• Problemas no tratamento térmico;
• Mau acabamento nas peças.
3. Nas propriedades das peças haverá uma redução:
• Resistência mecânica;
• Ductilidade e tenacidade;
• Condutibilidade elétrica;
• Resistência à corrosão;
• Perigo de toxidez;
2.2.4. Cuidados no Processo de Fundição do Alumínio
Um metal fundido é uma substância química altamente reativa, fazendo com que uma fundição, inevitavelmente conduza à formação de óxidos e freqüentemente ocasionará a absorção de hidrogênio. Mas estes efeitos em fundidos, podem ser minimizados com a manipulação cuidadosa do metal fundido. Porém, a maioria das fundições de alumínio não alcançam esta boa condição, e geralmente só é alcançada em fundições projetadas para uma produção contínua de ligas de alumínio de qualidade, especialmente as que são usadas para aplicações específicas como chapa ou produção de estoque (CAMPBELL, 1994; CAMPBELL, 1995).
fundição para a outra. Também, deve-se perceber que um grande filme de óxido pode estar presente nos retornos de fundição e nos lingotes, e que estes óxidos podem ser substancialmente reduzidos por um processo de desgaseificação e filtragem (CAMPBELL, 1994).
Figura 2.2 – Óxidos no alumínio fundido (CAMPBELL, 1994)
Uma das principais dificuldades encontradas na fundição do alumínio é a sua grande afinidade com o oxigênio promovendo uma formação excessiva de óxidos na forma de escórias durante a fusão. Esses óxidos são insolúveis, se permanecerem no banho tendem a formar um filme nos contornos de grão durante a solidificação do metal, reduzindo consideravelmente as propriedades mecânicas da liga.
observação da figura 2.3. O alumínio pode absorver o hidrogênio em uma fundição proveniente dos gases que estão presentes sobre ele, da escória sobre o metal fundido, dos produtos de combustão que contêm água, da umidade relativa do ar insuflado para a combustão, assim como do uso de ferramentas úmidas, cargas metálicas úmidas ou oxidadas e dos revestimentos novos de panelas e fornos (CAMPBELL, 1994).
Figura 2.3 – Impurezas no alumínio durante processo de fundição (CAMPBELL, 1994)
fundindo e serão automaticamente submergidas e redistribuídas no fundido. Este fato pode ser minimizado em um forno de fundição apropriado (CAMPBELL, 1994).
Atualmente, existem muitos métodos disponíveis para proteger e limpar o metal fundido durante a fundição como exemplo, a utilização de fluxos desgaseificantes e desoxidantes ou equipamentos específicos projetados para purificação dos metais e que utilizam técnicas relativamente novas com um rotor girante que introduzem um gás inerte (Hélio, Nitrogênio, Argônio) proporcionando uma redução do gás hidrogênio e das impurezas não-metálicas dispersas no banho de alumínio. Este processo é um dos mais eficientes métodos de limpeza de ligas de alumínio utilizados na atualidade (CAMPBELL, 1994; ALFATREND, 2004). Também podem ser utilizados, equipamentos projetados para determinação do volume de gás disperso no alumínio líquido, com a utilização do processo de solidificação do corpo de prova do alumínio a vácuo que evidencia a eficiência do processo de desgaseificação ou purificação do metal.
Outro controle é com a quantidade de areia da fundição nos retornos. Esta areia pode contaminar o metal fundido, pois esta pode conter carbonatos e organofosforados e conseqüentemente levando à presença de fósforo que mesmo em mínimas quantidades oxida com facilidade, formando outros sub compostos. Segundo MOLINARI (1999), o fósforo é considerado como impureza no alumínio (1 a 10 ppm) onde o alumínio + fósforo reage com vapor de água formando PH3, (fosfeto).
2.3. CORROSÃO
2.3.1. Introdução
De forma geral, com exceção de alguns metais nobres como o ouro, que podem ocorrer no estado elementar, quase todos os metais encentram-se na natureza sob a forma de compostos, sendo comum a ocorrência de óxidos, sulfetos metálico, hidróxidos, cloretos, etc. Para deles extrair os metais necessita-se empregar grande quantidade de energia, sendo que certa quantidade desta energia fica armazenada nos mesmos. Assim, os metais passam a ter mais energia interna do que os seus minérios de origem e, portanto, tendem a interagir espontaneamente com o meio ambiente e formar compostos de menor energia (MAIA, 1998; GENTIL, 1994).
Num aspecto muito difundido e aceito universalmente, pode-se definir corrosão como a deterioração dos materiais pela ação química ou eletroquímica do meio, podendo estar ou não associado a esforços mecânicos (GENTIL, 1994). Podendo a corrosão incidir sobre diversos tipos de materiais, sejam metálicos como os aços ou as ligas de cobre e de alumínio, por exemplo, ou não-metálicos, como plásticos, cerâmicas, madeiras ou concreto. A ênfase aqui descrita será sobre a corrosão dos materiais metálicos. Esta corrosão é denominada corrosão metálica (GENTIL, 1994).
conseqüências são diferentes daqueles apresentados pelos metais e pelas cerâmicas, o termo degradação é utilizado com maior freqüência (CALLISTER, 2002).
Quanto às considerações do emprego de materiais na construção de equipamentos ou instalações é necessário que estes resistam à ação do meio corrosivo, além de apresentar propriedades mecânicas suficientes e características de fabricação adequadas. As conseqüências da corrosão são bem conhecidas e podem ser citadas: Ferrugem nas carrocerias, radiadores e componentes de exaustão de automóveis. Algumas conseqüências da corrosão são desastrosas: como a corrosão em tubulações de derivados de petróleo que causou vazamento do fluido transportado seguido de incêndio de grandes proporções como ocorrido em Cubatão no estado de São Paulo ou a explosão ocorrida em Guadalajara no México, ambos na década de 90 e que ocasionaram a perda de mais de uma centena de vidas (CALLISTER, 2002).
Ocasionalmente os processos de corrosão também são utilizados com vantagens. Alguns exemplos são: oxidação de aços inoxidáveis, com formação de uma película protetora de óxido de cromo; anodização do alumínio, corrosão em pilha e baterias secas gerando corrente elétrica, proteção catódica com ânodos de sacrifício ou galvânicos para proteção de aço carbono usado em instalações enterradas ou submersas (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004; CALLISTER, 2002).
2.3.2. Conceitos de Corrosão
a) Processos de corrosão eletroquímica: são mais freqüentes na natureza e se caracterizam basicamente por: necessariamente ocorrerem na presença de água no estado líquido, em temperaturas abaixo do ponto de orvalho da água, sendo a grande maioria na temperatura ambiente e formam uma pilha ou célula de corrosão, com a circulação de elétrons na superfície metálica. Em face da necessidade do eletrólito conter água líquida, a corrosão eletroquímica é também denominada corrosão em meio aquoso. Nos processos de corrosão, os metais reagem com os elementos não metálicos presentes no meio, O2, S, H2S,
CO2 entre outros, produzindo compostos semelhantes aos encontrados na natureza, dos
quais foram extraídos, concluindo-se, portanto, que nestes casos a corrosão corresponde ao inverso dos processos extrativos, Figura 2.4 (ABRACO, 2004).
Figura 2.4 – Ciclo dos metais
b) Processos de corrosão química: são, por vezes, denominados corrosão ou oxidação em altas temperaturas. Estes processos são menos freqüentes na natureza, envolvendo operações onde as temperaturas são elevadas. Tais processos corrosivos se caracterizam basicamente por: ausência da água líquida, temperaturas, em geral, elevadas, sempre acima do ponto de orvalho da água, interação direta entre o metal e o meio corrosivo. Como na corrosão química não se necessita de água líquida, ela também é denominada em meio não aquoso ou corrosão seca (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004).
seja gradual e decorrente da ação do meio, tem-se um processo eminentemente físico e não químico ou eletroquímico. Pode-se, entretanto ocorrer em certos casos, ação simultânea da corrosão, constituindo o fenômeno da corrosão-erosão.
Outro tipo de alteração no material que ocorre em serviço, são as transformações metalúrgicas que podem acontecer em alguns materiais, particularmente em serviço com temperaturas elevadas. Em função destas transformações as propriedades mecânicas podem sofrer grandes variações, por exemplo, apresentando excessiva fragilidade na temperatura ambiente. A alteração na estrutura metalúrgica em si não é corrosão embora possa modificar profundamente a resistência à corrosão do material, tornando-o, por exemplo, susceptível à corrosão intergranular (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004).
2.3.3. Reações Eletroquímicas
Todo tipo de corrosão que ocorre na presença de umidade faz parte da chamada corrosão úmida e ocorre por um mecanismo eletroquímico. A corrosão é uma reação de interface irreversível em que ocorrem reações de oxidação e de redução entre um metal e um agente oxidante. A transferência de elétrons de uma região anódica para uma região catódica denomina-se pilha de corrosão eletroquímica e é constituída de quatro elementos fundamentais: (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001).
• Área anódica: superfície onde se verifica a corrosão (reações de oxidação);
• Área catódica: superfície protegida onde não há corrosão (reações de redução);
• Eletrólito: solução condutora ou condutor iônico (geralmente líquido) que envolve simultaneamente as áreas anódicas e catódicas. Os íons positivos tendem a se difundir para o cátodo, e os íons negativos, para o anodo;
Na área anódica onde se processa a corrosão ocorrem reações de oxidação, sendo a principal a de passagem do metal da forma reduzida para a forma iônica (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001).
2.3.4. Mecanismos de Corrosão
A corrosão de materiais metálicos em soluções eletrolíticas ocorre por um mecanismo eletroquímico devido a formação de pilhas eletroquímicas, chamadas de pilhas de corrosão. Os principais tipos de pilhas eletroquímicas são: (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004; GEMELLI, 2001).
- Pilha de eletrodo diferente: esta pilha é também denominada de pilha galvânica e surge sempre que dois metais ou ligas metálicas diferentes são colocados em contato elétrico na presença de um eletrólito [GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004];
- Pilha de concentração: a pilha de concentração ocorre devido a uma heterogeneidade de concentração iônica do eletrólito ou devido a uma heterogeneidade de concentração de fases dissolvidos. A pilha de concentração iônica diferencial surge sempre que um material metálico é exposto a concentrações diferentes de seus próprios íons. Ela ocorre porque o eletrodo torna-se mais ativo quando decresce a concentração de seus íons no eletrólito. Já a pilha de aeração diferencial é formada por concentrações diferentes do teor de oxigênio, de forma idêntica à pilha de concentração iônica diferencial, apenas as áreas anódicas e catódicas são invertidas em relação àquela (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004; GEMELLI, 2001);
- Pilha de ação local: esta pilha é provavelmente a mais freqüente na natureza, ela aparece em um mesmo metal devido a heterogeneidades diversas, decorrentes de composição química, textura do material, tensões internas, dentre outras. As causas determinantes da pilha de ação local são:
• Inclusões, segregações, bolhas, trincas;
• Estados diferentes de tensões e deformações;
• Diferença no tamanho e contornos de grão;
• Tratamentos térmicos diferentes;
• Materiais de diferentes épocas de fabricação;
• Gradiente de temperatura.
Uma experiência deste tipo de pilha de ação local é demonstrada em uma chapa de zinco comercial, Figura 2.5 (GENTIL, 1994). Observa-se que, em um metal que não for de alta pureza, ocorre um desprendimento do hidrogênio gasoso em pontos determinados da superfície.
Outra forma de pilha de ação local é representada esquematicamente pela Figura 2.6 (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004; GEMELLI, 2001).
Figura 2.5 - Forma esquemática da pilha de ação local em chapa de zinco impuro
(GEMELLI, 2001)
Figura 2.6 - Forma esquemática da pilha de ação local (ABRACO, 2004)
penetram através dos poros ou falhas da rede cristalina da película passivadora, ou dispersão sob forma coloidal, aumentando sua permeabilidade, formando uma área ativa (anódica) na presença de uma grande área passiva (catódica) com o conseqüente aparecimento de uma forte pilha, que proporciona corrosão localizada. A destruição da passividade pelo íon cloreto não ocorre em toda a extensão da película, e sim em pontos, talvez determinados por pequenas variações na estrutura e na espessura da película.
A Figura 2.7 representa a forma esquemática da pilha Ativa-Passiva (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004).
A Figura 2.7 – Forma esquemática da pilha Ativa-Passiva (ABRACO, 2004).
2.3.5. Meios Corrosivos
Os meios corrosivos em corrosão eletroquímica são responsáveis pelo aparecimento do eletrólito. O eletrólito é uma solução eletricamente condutora constituída de água contendo sais, ácidos ou bases (GENTIL, 1994, ABRACO, 2004).
Os principais meios corrosivos e respectivos eletrólitos são:
- Solos: os solos contêm umidade, sais minerais e bactérias. Alguns solos apresentam também, características ácidas ou básicas. O eletrólito constitui-se principalmente da água com sais dissolvidos;
- Águas naturais (rios, lagos e do subsolo): estas águas podem conter sais minerais, eventualmente ácidos ou bases, resíduos industriais, bactérias, poluentes diversos e gases dissolvidos. O eletrólito constitui-se principalmente da água com sais dissolvidos. Os outros constituintes podem acelerar o processo corrosivo;
- Água do mar: estas águas contêm uma quantidade apreciável de sais. A água do mar em virtude da presença acentuada de sais é um eletrólito por excelência. Outros constituintes como gases dissolvidos, podem acelerar os processos corrosivos;
- Produtos químicos: os produtos químicos, desde que em contato com água ou com umidade e formem um eletrólito, podem provocar corrosão eletroquímica.
2.3.6. Passivação
A passivação é um caso de grande importância na velocidade de corrosão. A passivação faz com que em alguns metais e ligas normalmente ativos, sob condições ambientais específicas, perdem a sua reatividade química e se tornam extremamente inertes. Esse fenômeno é conhecido como passividade (ABRACO, 2004).
A passivação pode ser descrita como a modificação do potencial de um eletrodo no sentido de menor atividade (mais catódico ou mais nobre) devido a formação de uma película de produto de corrosão. Esta película é denominada película passivante. Os metais e ligas metálicas que se passivam são os formadores de películas protetoras (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004). Como exemplo podem ser citados:
• Cromo, níquel, titânio, aço inoxidável, monel que se passivam na grande maioria dos meios corrosivos, especialmente na atmosfera;
• O ferro que se passiva na presença de ácido nítrico concentrado e não se passiva na presença de ácido nítrico diluído;
• A maioria dos metais e ligas passivam-se na presença de meios básicos, com exceção dos metais anfóteros (Al, Zn, Pb, Sn e Sb).
2.3.7. Formas de Corrosão
É conveniente classificar a corrosão de acordo com a maneira com que ela se manifesta. As formas segundo as quais a corrosão pode manifestar-se são definidas principalmente pela aparência da superfície corroída, sendo as principais formas:
• Corrosão uniforme: quando a corrosão se processa de modo aproximadamente uniforme em toda a superfície atacada. Esta forma é comum em metais que não formam películas protetoras, como resultado do ataque;
• Corrosão por placas: quando os produtos de corrosão formam-se em placas que se desprendem progressivamente. É comum em metais que formam película inicialmente protetora, mas que, ao se tornarem espessas, fraturam e perdem a aderência, expondo o metal a novo ataque;
• Corrosão alveolar: quando o desgaste provocado pela corrosão se dá sob forma localizada, com o aspecto de crateras. É freqüente em metais formadores de películas semi protetoras ou quando se tem corrosão sob depósito, como no caso da corrosão por aeração diferencial;
• Corrosão por pite: quando o desgaste se dá de forma muito localizada e de alta intensidade, geralmente com profundidade maior que o diâmetro e bordos angulosos. A corrosão por pite é freqüente em metais formadores de películas protetoras, em geral passivas, que, sob a ação de certos agentes agressivos, são destruídas em pontos localizados, os quais tornam-se ativos, possibilitando corrosão muito intensa;
• Corrosão intergranular ou intercristalina: quando o ataque se manifesta no contorno dos grãos;
A Figura 2.8 apresenta, de maneira esquemática algumas dessas formas de corrosão.
Figura 2.8 – Desenho esquemático das formas de corrosão (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004)
2.3.8. Corrosão sob Solicitações Mecânicas
Segundo M.M. Stack, (2002), ensaios feitos para o aço em contato com água do mar verificam que a velocidade relativa da superfície metal-eletrólito atua na taxa de desgaste de três formas: para velocidades baixas há uma ação despolarizante intensa que se reduz à medida que a velocidade se aproxima de 8 m/s. A partir desta velocidade as taxas praticamente se estabilizam voltando a crescer para altas velocidades quando diante de um movimento turbulento tem-se, inclusive, uma ação erosiva. Este tipo de corrosão implica na ação erosiva e corrosiva do meio, devidas ao movimento relativo existente entre esse o material metálico (GENTIL, 1994). Estas condições também foram estudadas por vários autores como: M.M. Stack; R.J.K. Wood e E.E. Ebenso, onde fica claro que o desgaste é uma função do impacto das partículas (velocidade, concentração, fluxo, forma, ângulo de impacto, dureza, densidade), do material (dureza, resistência, densidade, modulo de elasticidade, elemento de liga), e do meio ambiente (velocidade do fluxo, pH, potencial eletroquímico, viscosidade, composição química, temperatura, pressão).
Os principais tipos de corrosão associada com escoamento são a corrosão-erosão, a corrosão com cavitação e a corrosão por turbulência, os quais estão resumidos abaixo.
b) Corrosão com Cavitação: Cavitação é o desgaste provocado em uma superfície metálica devido a ondas de choque do líquido, oriundas do colapso de bolhas gasosas. A cavitação surge em zonas de baixa pressão onde o líquido entra em ebulição formando bolhas, as quais ao entrarem em contato com zonas de pressão mais alta são destruídas instantaneamente criando ondas de choque no líquido (ABRACO, 2004). A cavitação é ação dinâmica, no interior de um fluído, associada à formação e ao colapso de cavidades nas regiões que ficam abaixo da pressão absoluta de vapor do líquido. Quando um fluindo tem um impacto direto sobre superfície metálica, pode se notar severa ação mecânica com desgaste do material. Bolhas de gás, presentes no líquido aumentam o efeito do impingimento, observando-se que a presença de bolhas de ar agravam o ataque por impingimento (GENTIL, 1994). A cavitação, da mesma forma que a erosão, destrói as películas dos produtos de corrosão expondo o material a um novo desgaste corrosivo, além de provocar a deformação plástica com encruamento em face da incidência de ondas de choque de alta pressão e, portanto a criação de áreas anódicas (ABRACO, 2004). Deste modo, o desgaste resultante será maior no caso de conjugar os dois fenômenos do que aquele observado pela ação de cada um isoladamente.
c) Corrosão por Turbulência: É um processo corrosivo associado ao fluxo turbulento de um líquido. Ocorre particularmente quando há redução na área de fluxo. Se o movimento turbulento propiciar o aparecimento de bolhas gasosas, poderá ocorrer o choque destas bolhas com a superfície metálica e o processo erosivo resultante é denominado de impingimento. O ataque difere da cavitação quanto à forma do desgaste, sendo no caso do impingimento comum alvéolos sob a forma de ferradura e as bolhas causadoras são em geral de ar, enquanto que na cavitação são bolhas de vapor do produto (GENTIL, 1994, ABRACO, 2004).
2.3.9. Corrosão em Ligas de Alumínio
Figura 2.9 – Diagrama de Paurbaix (Potencial x pH) para o Al, à 25ºC. (PAURBAIX, 1966)
Dada a figura acima, observa-se que o Al encontra-se passivado apenas na faixa de pH entre 4 e 9, sendo estes limites dependentes da temperatura, da forma de óxido presente e da baixa dissolução do metal. Os processos corrosivos de natureza eletroquímica apresentam mecanismos idênticos porque sempre serão constituídos por áreas anódicas e catódicas, entre as quais circula uma corrente de elétron e uma corrente de íons. Entretanto a perda de massa e modo de ataque sobre o material dá-se de formas diferentes.
2.3.9.1. Corrosão por Pites (Corrosão Localizada)
quais a camada passiva é rompida. É um tipo de corrosão de mais difícil acompanhamento quando ocorre no interior de equipamentos e instalações já que o controle da perda de espessura não caracteriza o desgaste verificado. Uma grandeza importante neste caso é o potencial em que haja a quebra de passividade. Na verdade o que ocorre é a alteração na curva de polarização anódica. Outro aspecto importante é o mecanismo de formação dos pites já que a falha se inicia em pontos de fragilidade da película passivante (defeitos de formação da película) e o pH no interior do pite se altera substancialmente no sentido ácido o que dificulta a restituição da passivação inicial. Resulta daí que a pequena área ativa (formada diante de uma grande área catódica provoca a corrosão intensa e localizada. [GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; MAIA, 1998).
De forma geral, a morfologia dos pites mais freqüentes estão representados na Figura 2.10.
Figura 2.10 – Morfologia dos pites: (a) pite profundo, (b) pite ocluso, (c) pite hemisférico (GENTIL, 1994)
Figura 2.11 – Mecanismo de corrosão por pite (GEMELLI, 2001)
A formação de pites de corrosão, muitas vezes, se da pela presença de impurezas ou microssegregações na superfície metálica que é responsável pela formação local de óxidos menos resistentes durante a passivação. Em presença de ânions agressivos, esses óxidos sofrem então um ataque preferencial dando início à formação de pites de corrosão (GEMELLI, 2001).
Micropilhas galvânicas também podem se formar quando a superfície metálica contém precipitados ou inclusões. Esses podem se dissolver ou provocar a dissolução do metal base na interface. Quando inertes com relação ao metal base, eles podem facilitar a nucleação de pites pela formação de fendas se, por exemplo, os coeficientes de dilatação térmica entre essas fases e o metal de base forem diferentes (GEMELLI, 2001).
2.3.9.2. Corrosão Intergranular e (ou) Intragranular
Os materiais metálicos apresentam defeitos cristalinos (lacunas, discordâncias, contornos de grãos) e heterogeneidades químicas (impurezas, precipitados, inclusões, microssegregações). Geralmente, as heterogeneidades químicas são encontradas com maior facilidade nos defeitos cristalinos por apresentarem maior energia livre. Dependendo do potencial dos defeitos cristalinos e/ou da heterogeneidade química, o material pode ser atacado através do grão ou nos seus contornos. Este fenômeno é conhecido como corrosão transgranular ou intergranular, respectivamente. Na prática observa-se, com bastante freqüência, um ataque misto, ou seja, a corrosão preferencialmente intergranular é também acompanhada por um ataque transgranular (GEMELLI, 2001). Freqüentemente estas heterogeneidades se encontram nos limites dos contornos dos grãos cristalinos, onde os átomos apresentam um certo desarranjo, decorrente do encontro entre os grãos, o que determina freqüentemente certas imperfeições no interior dos cristais, podendo também se formar seletivamente nesta região dos contornos de grão pequenas partículas de fase diferente da solução sólida inicial. Estas heterogeneidades podem, provavelmente, serem o fenômeno causador do ataque da corrosão intergranular, que acontece quando existe um caminho preferencial para a corrosão na região dos contornos de grão. Observando-se que os grãos vão sendo destacados a medida que a corrosão se propaga (ABRACO, 2004).
O principal fator responsável pela diferença na resistência à corrosão da matriz (material no meio do grão) e do contorno da matriz é a diferença apresentada na composição química. Deste modo, mesmo que a alteração na composição química não seja suficiente para eliminar totalmente a capacidade de formação da camada passiva, verifica-se que existe uma corrente de corrosão devido à diferença de potencial ocasionada pelas características diferentes dos materiais (no interior e no contorno do grão) (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004).
material, como os aços inoxidáveis e em ligas de níquel (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004).
A maioria das ligas de alumínio sofrem algum tipo de tratamento térmico, usualmente de precipitação (envelhecimento). Esse tratamento aumenta a resistência mecânica, mas freqüentemente conduz a uma maior sensibilidade à corrosão intergranular (GEMELLI, 2001). O alumínio puro e ligas de alumínio-magnésio apresentam boa resistência à água do mar e atmosfera marinha.
A tendência das ligas de alumínio, para corrosão intergranular, está ligada à deposição de compostos intermetálicos nos contornos dos grãos. Assim, as ligas de alumínio/cobre são muito me
nos resistentes, mas podem sofrer corrosão por pites e a precipitação de CuAl2 nos
contornos dos grãos, ocasionando um decréscimo do teor de cobre nas regiões nos contornos de grãos que funcionam como áreas anódicas onde os precipitados de CuAl2 são
mais nobres que a matriz, aparentemente agindo como cátodos e acelerando a corrosão da região vizinha ao contorno de grão, empobrecida em cobre. Ligas de alumínio-magnésio contendo acima de 3% de magnésio podem formar precipitados de Mg2Al8 nos contornos
de grão. Estes precipitados são corroídos porque são menos resistentes à corrosão do que a matriz (ABRACO, 2004).
Caso similar ocorre nas ligas de alumínio-magnésio-zinco devido à formação do precipitado de MgZn2. No entanto, eliminando-se estes precipitados, elimina-se a causa da
corrosão intergranular, porém, no caso das ligas de alumínio mencionadas, os precipitados são imprescindíveis para a elevação da resistência mecânica. Na seleção do material para serviço em um determinado meio corrosivo, deve-se evitar o uso de ligas susceptíveis à corrosão intergranular (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001; ABRACO, 2004).
ligas é mínimo, porque a alta polarização das partículas de Silício resulta numa baixa densidade de corrente. A resistência à corrosão das ligas de alumínio da série 3xx.x é altamente afetada pelo conteúdo de Cobre. Isto acontece para percentuais de Cobre elevado (5%) como para os níveis considerados residuais.
2.3.10. Proteção Anticorrosiva
Os materiais metálicos podem ter resistência própria à corrosão ou tê-la ampliada pela utilização dos métodos ou técnicas de proteção anticorrosiva. A tecnologia hoje existente permite a utilização dos materiais em praticamente todos os meios corrosivos com a durabilidade dentro da extensão desejada.
Existem varias formas de proteção anticorrosiva, e podem ser divididos em grupos com, por exemplo, os revestimentos metálicos (cladização, deposição por imersão a quente, metalização, eletrodeposição, deposição química) e os revestimentos não-metálicos inorgânicos (anodização, cromatização, fosfatização, revestimento com argamassa de cimento, revestimento com vidro, revestimento com esmalte vítreo, revestimento com material cerâmico).
2.3.11. Efeito das Impurezas e dos Elementos Residuais na Resistência à Corrosão
O alumínio puro, as ligas de alumínio magnésio, assim como as presentes ligas estudadas são referenciadas por muitos autores como ligas resistentes à corrosão. Porém, muitos autores salientam que a resistência à corrosão das ligas de alumínio pode ser afetada por reduzidos teores de impurezas.
De acordo com o item 2.3.9.1, mecanismos de corrosão localizada (corrosão por pites), verifica-se que o potencial de pite pode ser influenciado pelos elementos de liga, assim como pela presença de impurezas em forma de inclusões ou microssegregações na superfície metálica, sobretudo as inclusões do tipo sulfeto, que diminuem localmente o potencial de pite, favorecendo a dissolução na região da inclusão (GENTIL, 1994; GEMELLI, 2001).
No item 2.3.9.2, corrosão intergranular e (ou) intragranular, os materiais metálicos apresentam defeitos e heterogeneidades químicas. Dependendo do potencial dos defeitos cristalinos e/ ou da heterogeneidade química, o material pode ser atacado através do grão ou nos seus contornos.
Também segundo GEMELLI (2001), as impurezas presentes nos metais podem influenciar a mobilidade iônica através da camada de corrosão, por reação de oxidação na interface metal/óxido influenciando os mecanismos difusionais tanto por efeito de dopagem na camada de óxido, como pela formação de precipitados. Os precipitados podem se formar principalmente nos contornos dos grãos do óxido, próximo à interface metal/óxido, pelas reações das impurezas oxidadas com os íons de oxigênio ou por reação de redução do óxido base.
Segundo estudos efetuados por CARROLL (2001), sobre os efeitos de adições secundárias (residuais) de Cu em uma liga de Al,Zn modificada (Al-5083), os problemas de fratura de corrosão sob tensão (SCC), são atribuídos em grande parte, a dissolução intergranular ou empobrecimento das fases ricas em Mg que se formam no contorno dos grãos nestas ligas. Quando o magnésio está presente em níveis maiores que 3,5% em peso, geralmente é aceito que quando o material é submetido à temperaturas elevadas (sensitização), o responsável pela falha SCC é a dissolução anódica da fase â (Al3Mg2) que
Para avaliar as fases presentes nos contornos dos grãos, nesta liga, foi feita uma investigação na característica das fases no contorno dos grãos, para isto foi adicionado na referida liga percentuais de cobre em três amostragens (0,073%, 0,13% e 0,24%). Neste estudo foi demonstrado, que a transição de equilíbrio da fase é provavelmente entre níveis de Cu de 0,075 e 0,15%, em peso, para a liga 5083. Também pode-se concluir, segundo por CARROLL (2001), que tanto o Cu como o Zn podem contribui para a formação da fase (Mg32 (Al,Zn)49).
2.4. ENSAIOS DE CORROSÃO
2.4.1. Introdução
Os ensaios de corrosão são realizados a fim de caracterizar a agressividade de um determinado meio corrosivo e, portanto, obter dados para o controle do processo corrosivo. A corrosão de materiais metálicos é influenciada por diversos fatores que modificam o ataque químico ou eletroquímico, não existindo um método único de ensaio de corrosão e sim uma grande variedade de ensaios. Conforme o objetivo a ser alcançado, o ensaio de corrosão pode ser realizado em laboratório ou no campo (MAIA, 1998).
a) Ensaios de laboratório: utilizam-se corpos de prova pequenos e bem definidos e a composição do meio corrosivo é fixada com exatidão. Para obter resultados mais práticos, pode-se manter constantes as condições do ensaio e acelerar o processo.
b) Ensaios de campo: A peça a ser ensaiada é submetida as condições reais do meio corrosivo, possibilitando assim, verificar a resistência a corrosão do material, bem como, a eficiência de um método protetor. Contudo, a fim de se verificar a ação dos fatores aceleradores e retardadores do processo, a obtenção dos resultados geralmente demanda longo período de tempo e as condições de ataque são varáveis e, às vezes, não controláveis.
temperatura; induzida microbiologicamente; exposição em atmosfera marinha, rural, urbana, industrial; em condições de imersão marinha ou água doce e em condições de operação efetiva (MAIA, 1998). Ao se efetuar um estudo mais detalhado entre os diferentes métodos de ensaio de corrosão existentes e qual o mais indicado para cada caso, deve-se consultar livros específicos, como por exemplo, AILOR (1971), e as Normas ASTM, DIM e ABNT (MAIA, 1998).
2.4.2. Avaliação dos Ensaios de Corrosão
Através dos corpos de prova utilizados nos ensaios de corrosão, é possível se ter uma medida da extensão do ataque através de uma avaliação quantitativa mediante aplicações de métodos tais como (MAIA, 1998):
• Observações no microscópico: profundidade da corrosão intergranular (profundidade do ataque corrosivo), tipo de corrosão (intergranular, intragranular, profundidade de pites e espessura da camada de recobrimento);
• Observação visual: permite distinguir ataques uniformes ou localizados;
• Perda ou ganho de massa durante o ensaio: tomando o peso antes e após o ensaio;
• Aparência: aparência e rugosidade superficial;
• Taxa de corrosão: Taxa = (K x W)/(A x T x D), onde K é uma constante determinada pela perda de massa, T é o tempo de exposição, A é a área em Cm2 e D é a densidade em g/cm2;
• Métodos eletroquímicos: permite medir a diferença de potencial entre dois metais diferentes e as curvas de polarização catódica e anódica.
Em determinados casos, para se ter uma melhor avaliação dos produtos de corrosão, são utilizados vários métodos de análise conjuntamente. Entretanto, para se conhecer a composição química do produto de corrosão formado sobre o material metálico, faz-se necessário o emprego de técnicas como (MAIA, 1998):
• Quando se tem produto de corrosão em quantidade adequada: análise química por via úmida, processos calorimétricos, espectrofotométricos e cromatrografia.
Quando se pretende avaliar a resistência à corrosão em serviço de componentes em meio aquoso, é necessário conhecer bem os detalhes específicos do produto e da aplicação sobre considerações a respeito das “variáveis dependentes” inerentes ao material metálico, meio corrosivo, condições operacionais e dos tipos de corrosão presente neste ambiente, ou seja, para uma avaliação completa da corrosão, deve ser considerados os efeitos combinados que geralmente estão presentes em aplicações de produtos em ambientes aquosos, pois a corrosão nestes ambientes pode ser significativamente maior que a soma dos processos operando separadamente como os casos da erosão e da corrosão-cavitação, por exemplo (GENTIL, 1994; ABRACO, 2004).
Segundo STACK (2003), a combinação de efeitos e os regimes de interação em meios aquosos tem sido bastante pesquisado, porém, no momento, existe poucas informações publicadas sobre a forma com que a interação ocorre na resistência dos materiais em tais ambientes. Isso se deve porque poucos estudos experimentais cobrem a extensa faixa de parâmetros necessário para “construir” tal guia. Além disso, houve poucas tentativas no sentido de incorporar algumas das sutilezas da interação da erosão-corrosão (efeito sinérgico) em tais guias. A combinação dos efeitos em meio aquoso é um dos maiores problemas na indústria de óleo e de gás, na fabricação de bombas e turbinas, no processamento de materiais como na produção de alumina e indústrias de papel entre outras. Em tais condições, o desgaste é uma função do impacto das partículas (velocidade, concentração, fluxo, forma, ângulo de impacto, dureza, densidade), do material (dureza, resistência, densidade, modulo de elasticidade, elemento de liga), e do meio ambiente (velocidade do fluxo, pH, potencial eletroquímico, viscosidade, composição química, temperatura, pressão).
CAPÍTULO 3 - MÉTODOS EXPERIMENTAIS
3.1. Introdução
Para avaliar o problema de corrosão destes componentes (rotores de motobombas), foi feito um levantamento do processo de fundição junto à indústria e realizado um breve inventário sobre o processo e as matérias primas utilizadas. Em virtude das inúmeras possibilidades de origem para este problema específico, tomou-se como primeiro parâmetro de avaliação, a caracterização de um processo de fundição e a utilização de uma liga de alumínio que reunisse as melhores características para a aplicação. Após uma abordagem do problema foi possível efetuar uma avaliação detalhada de todo o processo de fabricação, possibilitando então, estipular algumas variáveis que deveriam ser agora estudadas em laboratório. Para estabelecer os mecanismos responsáveis pelo processo corrosivo, efetuou-se uma avaliação detalhada da composição química e da estrutura metalográfica dos componentes que haviam apresentado corrosão em serviço.
