INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
RONAN MILLER VIEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UMA LIGA TIXOCONFORMÁVEL Al4,8%Cu RECICLADA A PARTIR DE LATAS DE ALUMÍNIO
VITÓRIA 2013
RONAN MILLER VIEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UMA LIGA TIXOCONFORMÁVEL Al4,8%Cu RECICLADA A PARTIR DE LATAS DE ALUMÍNIO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais como requisito parcial à obtenção do título de mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Estéfano Aparecido Vieira
VITÓRIA 2013
Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo
V658d Vieira, Ronan Miller
Desenvolvimento de uma liga tixoconformável AI4,8%Cu
reciclada a partir de latas de alumínio / Ronan Miller Vieira. – 2013. 104 f. :il. ; 30cm
Orientador: Estéfano Aparecido Vieira.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
1. Alumínio - Metalurgia. 2. Ligas de alumínio – Tratamento térmico. 3. Metais - Reaproveitamento. 4. Latas de alumínio. I. Vieira, Estéfano Aparecido. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus.
Em especial ao Professor e orientador Estéfano Aparecido Vieira, por todo apoio, ajuda e compreensão dados ao longo da pesquisa.
Aos Professores do PROPEMM, pela ajuda direta e indireta dada para o desenvolvimento do projeto.
A Coordenadoria de Mecânica do IFES, ao Professor Christian Mariani Lucas dos Santos, e a toda sua equipe.
Ao Professor Armando Marques, responsável pela ferramentaria do IFES, pela ajuda dada ao longo da pesquisa.
O apoio de toda minha família e amigos.
A todos os novos amigos que tive a oportunidade de conhecer durante o desenvolvimento da pesquisa.
A equipe de desenvolvimento de novas ligas: Ângelo Antônio reis, Eric Romagna e Luciana Pirone.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico–CNPq, à Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de nível superior – CAPES – Edital N0.11/2009 - PRÓ-EQUIPAMENTOS INSTITUCIONAL, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo – FAPES – Termo de outorga 035/2009.
Ao Fundo de Apoio a Ciência e Tecnologia do Município de Vitória – FACITEC – Edital N0 01/2011, pela concessão da bolsa de mestrado.
“Quando se sonha sozinho é apenas um sonho. Quando sonhamos juntos, é o começo da realidade.”
RESUMO
O processamento de ligas metálicas no estado semi-sólido (ESS) utiliza materiais com comportamento tixotrópico e estrutura não dendrítica. Este método inovador originou-se no início da década de 70 no Massachussets Institute of Technology (MIT). Atualmente, as peças obtidas por este processo apresentam propriedades mecânicas superiores em relação ao processo de fundição sob pressão. No mercado atual já é bem consolidado o uso da liga A356. Contudo, trata-se de uma liga relativamente nobre de custo elevado. Neste projeto propõe-se o uso de sucatas de latas de alumínio para produzir uma nova liga para conformação no ESS. O objetivo foi fundir e criar uma nova liga de Al4,8%Cu a partir da reciclagem de latas ou seja uma mistura das ligas 3004 e 5182. Foi investigada a melhor rota de condicionamento por tratamento termomecânico objetivando ama típica microestrutura globular para conformação no ESS. Além disso, determinaram-se os parâmetros de processo para o tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificial (T6) que resultasse em máxima resistência mecânica. Peças foram tixoconformadas sob temperaturas de 580ºC e 615ºC as quais correspondem respectivamente às frações sólidas de 0,8 e 0,6. As peças produzidas foram tratadas termicamente seguindo-se a melhor rota desenvolvida para o T6, ou seja, solubilização por 24 h a 525ºC e envelhecimento artificial por 3h a 190ºC. Corpos de prova para ensaio de tração foram produzidos a partir das peças tixoforjadas e mediu-se o limite de escoamento, de resistência e alongamento. Os resultados mostraram que as propriedades mecânicas são compatíveis com outras ligas consolidadas no mercado. A típica microestrutura globular foi obtida para as peças tixoforjadas. O resultado é promissor e devido à formação da estrutura globular, provavelmente a nova liga irá favorecer a produção de peças com alta resistência a fadiga, o que é um importante requisito para ligas tixoconformáveis.
ABSTRACT
The processing of alloys in the semisolid state (SS), use raw materials with thixotropic behavior and non-dendritic microstructure. This innovative technology was introduced in the early 70s at the Massachusetts Institute of Technology (MIT). Currently, the parts obtained by these process exhibit better mechanical properties than conventional casting. In the modern industry is already well established the use of A356 alloy for thixoforming process. However produce A356 alloy requires the use of a raw material with relatively high cost. This project proposes the use of scrap aluminum cans to produce a new alloy for forming in the SS process. The aim was to melt and create a new alloy with 4.8% of Cu from recycled cans i.e. a mixture of commercial 3004, 5182 and 5082 alloys. It was investigated the best way for the pre-condition of the alloy by the use of thermomechanical treatment aiming obtain the typical globular microstructure for conformation in SS. In addition, it was determined the process parameters for the solubilization heat treatment and artificial aging (T6) that resulted in a higher mechanical strength. The parts were tixoforjed at temperatures of 580ºC and 615ºC which match solid fractions of 0.8 and 0.6 respectively. The parts produced were heat treated following the best way for T6, i.e., solutionizing at 525ºC for 24h and artificial aging at 190ºC for 3h. Specimens for tesile testing were produced from tixoforjed parts and were measured the yield strength, ultimate strength and elongation. The results showed that the mechanical properties are compatible with other alloys consolidated in the market. A typical globular microstructure was obtained for parts tixoforjed. The result is promising and due to the formation of globular structure, probably the new alloy will favor the production of parts with high resistance to fatigue which is an important requirement for alloys thixoformed.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Evolução da tensão de cisalhamento em função da fração sólida para a liga Sn-15Pb. (a) Estrutura dendritica e taxa de cisalhamento de 0,16 s-1. (b)
Estrutura globular e taxa de cisalhamento de 200 s-1. ... 15
FIGURA 2 - Viscosidade aparente em função da fração sólida “fs” para três amostras agitadas a uma taxa de 750s-1 e resfriadas sob taxas constantes de 0,33; 1,0 e 25 0Cmin-1. ... 16
FIGURA 3 - Microestruturas para liga A356 (a) Dendrítica (b) Globular. ... 17
FIGURA 4 - Custo de produção médio anual de alumínio primário – base 2009. ... 23
FIGURA 5 - Reciclagem de latas de alumínio no mundo – base 2010. ... 25
FIGURA 6 - Exemplo de microestrutura globularizada de uma liga A356... 29
FIGURA 7 - Rota de processamento no ESS. ... 31
FIGURA 8 - Fluxograma do projeto de pesquisa. ... 41
FIGURA 9 - Forno de indução inductotherm-100kVA (a), e cadinho de carbeto de silício (b) e a carga de latinhas (c). ... 44
FIGURA 10 - Mistura equimolar de NaCl e KCl. ... 45
FIGURA 11 - Coquilha de aço (a) e típico lingote de alumínio reciclado (b). ... 45
FIGURA 12 - Diagrama de fases da liga de Al (reciclada)-Cu. ... 47
FIGURA 13 - Pastilha de hexacloretano. ... 48
FIGURA 14 - Coquilha de alumínio utilizada para produção de placas (a) e placa obtida (b). ... 48
FIGURA 15 - Módulo de Análise Térmica Diferencia (ATD) (a) e compartimentos da amostra e do cadinho de referência (b). ... 49
FIGURA 16 - Evolução da dureza sob envelhecimento natural da liga Al-4,8%Cu solubilizada a 5250C por tempos variando de 2 às 48h. ... 50
FIGURA 17 - Definição do melhor tratamento térmico de solubilização para liga de Al-4,8%Cu. ... 51
FIGURA 18 - Desenho esquemático das amostras de Al4,8%Cu reciclado submetidas a diferentes rotas de condicionamento para obter microestrutura globular no ESS. ... 53
FIGURA 19 - Fluxograma para definir melhor procedimento para o condicionamento
da nova liga Al-4,8%Cu. ... 54
FIGURA 20 - Laminador duo não-reversível do laboratório de metalurgia do IFES. . 54
FIGURA 21 - DSC da nova liga solubilizada em dois diferentes tempos e depois reaquecida. ... 56
FIGURA 22 - Aparato experimental utilizado na solubilização e envelhecimento da nova liga Al-4,8%Cu (a) Conjunto, forno a resistência e controlador e (b) croqui esquemático do aparato experimental mostrando. ... 57
FIGURA 23 – Representação esquemática da matriz utilizada para o processo de tixoconformação: (a) conjunto montado (b) partes da matriz; base e laterais e (c) punção. ... 59
FIGURA 24 - Matriz acoplada em uma prensa hidráulica (a) e peça tixoconformada (b). ... 60
FIGURA 25 - Dimensões do corpo de prova de tração usinado. ... 61
FIGURA 26 - Resultado da análise térmica para a nova liga Al-4,8%Cu. ... 64
FIGURA 27 - Fração sólida para a nova liga Al-4,8%Cu. ... 64
FIGURA 28 - Fração sólida para a liga binária Al-4,8%Cu. ... 66
FIGURA 29 - Típica microestrutura bruta de fusão para liga de lata de alumínio reciclada mostrando a presença de precipitados com morfologias diferentes. ... 67
FIGURA 30 - Micrografia para liga reciclada a partir das latas bruta de fusão (a) foto mostrando presença de precipitados diversos e (b) pontos onde fez-se análise por EDS (c) resultado do EDS mostrando a presença de precipitados contendo Fe e Mn e regiões ricas em Mg e Cr oriundo do polimento. ... 68
FIGURA 31 - Micrografias para nova liga reciclada Al-4,8%Cu (a) foto mostrando presença de precipitados diversos (b) pontos onde fez-se análise por EDS (c) resultado do EDS mostrando a presença de precipitados contendo Mg, Cu, Fe e Mn além da presença de regiões ricas em Mg. ... 70
FIGURA 32 - Micrografias para nova liga reciclada Al-4,8%Cu solubilizada (a) presença de precipitados e poros (b) regiões submetidas a análise por EDS e(c) resultado do EDS mostrando a presença de precipitados contendo Fe, Mn, Ni, Si e regiões ricas em Mg. ... 71
FIGURA 33 – Microscopia ótica foi feita para uma análise das microestruturas da liga bruta de fusão de alumínio reciclada com acréscimo de 4,8% de Cu (a,b) e após o
tratamento térmico de solubilização a 5250C por 46h (c,d). ... 72
FIGURA 34 - Amostras destinadas a processo de condicionamento por laminação (a) antes da deformação e (b) depois. ... 73
FIGURA 35 - Relação entre a deformação e tipo de resfriamento... 74
FIGURA 36 - Relação entre a deformação e o meio de laminação. ... 75
FIGURA 37 - Relação entre a dureza e a deformação total atingida. ... 76
FIGURA 38 - Relação entre a deformação e grau de refino de grão para a liga A356. ... 76
FIGURA 39 - Relação entre a dureza e tipo de resfriamento do material. ... 77
FIGURA 40 - Metalografia das amostras submetidas ao estado semi-sólido após o processo de condicionamento por laminação. T=6230C, fs=0,5; 15min no ESS; (a, c, e) laminado a quente (b, d, f) laminado a frio. (a,b) resfriado em água, (c,d) resfriado ao ar e (e,f) resfriado no forno – lento. ... 78
FIGURA 41 - Relação da dureza no estado semi-sólido com o tipo de laminação. ESS-F: mantida no estado semi-sólido laminada a frio. ESS-Q: mantida no estado semi-sólido e laminada a quente. T=6230C, fs=0,5; 15min no ESS. ... 79
FIGURA 42 - Relação entre a deformação na etapa de condicionamento e a dureza atingida quando as amostras foram mantidas no ESS. T=6230C, fs=0,5; 15min no ESS. ... 80
FIGURA 43 - Relação o tamanho de grão e a dureza das amostras mantidas no ESS e condicionadas sob diferentes rotas. T=6230C, fs=0,5; 15min no ESS... 81
FIGURA 44 - Microestruturas da liga Al4,8%Cu reciclada mantidas no ESS a temperatura de 5800C por 20min. (a) bruta de fusão (b) previamente condicionada por laminação. ... 82
FIGURA 45 - Curvas de envelhecimento artificial para nova liga reciclada Al4,8%Cu. ... 83
FIGURA 46 - Peças conformadas sob condições favoráveis de fluxo. T=580ºC e fs=0,8. (a) tempo de espera igual a 20min e (b) 30 min. ... 84
FIGURA 47 - Peças conformadas sob condições favoráveis de fluxo. T=615ºC e fs=0,6. (a) tempo de espera igual a 20min e (b) 30 min. ... 85
FIGURA 48 - Peça conformada sob condição não favorável de fluxo. Fluidez insuficiente. T=580ºC e fs=0,8. Tempo de espera igual a 10min. ... 86
FIGURA 49 - Peça perdida devido à condição não favorável de fluxo. Fluidez excessiva. T=615ºC e fs=0,6. (a) tempo de espera igual a 40min. ... 87
FIGURA 50 - Corpos de prova após o ensaio de tração, liga Al4,8%Cu bruta de fusão. ... 88 FIGURA 51 - Corpos de prova após o ensaio de tração,T=6150C;
fs=0,6; tempo de
espera igual a 20min. ... 88 FIGURA 52 - Corpos de prova após o ensaio de tração, T=6150C; fs=0,6; tempo de
espera igual a 30min. ... 89 FIGURA 53 - Corpos de prova após o ensaio de tração, T=5800C; fs=0,8; tempo de
espera igual a 20min. ... 89 FIGURA 54 - Corpos de prova após o ensaio de tração, T=5800C; fs=0,8; tempo de
espera igual a 30min. ... 90 FIGURA 55 - Relação entre a tensão de ruptura e a fração sólida no processo de tixoconformação. ... 92 FIGURA 56 - Relação entre a tensão de escoamento e a fração sólida no processo de tixoconformação. ... 92 FIGURA 57 - Relação entre o alongamento e a fração sólida no processo de tixoconformação. ... 93 FIGURA 58 - Metalografia da liga Al4,8%Cu tixoconformada. T=615ºC; fs=0,6 e
tempo de espera igual a 20min. ... 94 FIGURA 59 - Metalografia da liga Al4,8%Cu tixoconformada. T=615ºC; fs=0,6 e
tempo de espera igual a 30min. ... 95 FIGURA 60 - Metalografia da liga Al4,8%Cu tixoconformada. T=580ºC; fs=0,8 e
tempo de espera igual a 20min. ... 95 FIGURA 61 - Metalografia da liga Al4,8%Cu tixoconformada. T=580ºC; fs=0,8 e
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Propriedades mecânicas da liga A356-T6 obtidas por diferentes
processos de conformação. ... 18
TABELA 2 - Produção e capacidade mundial de alumínio primário (milhões de toneladas). ... 22
TABELA 3 - Evolução dos índices de reciclagem de latas dos principais países nos últimos 11 anos. ... 25
TABELA 4 - Classificação das ligas de Alumínio. ... 26
TABELA 5 - Produção de produtos transformados de alumínio (em ton). ... 27
TABELA 6 - Composição química para a liga 2024. ... 27
TABELA 7 - Constante de crescimento k1, é o potencial de campo médio em função da fração de sólido fs da fase que cresce. ... 34
TABELA 8. Propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio. ... 38
TABELA 9 - Propriedades mecânicas da liga Al-4,5wt%Cu. ... 39
TABELA 10 - Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu. ... 42
TABELA 11 - Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu. ... 46
TABELA 12 - Medidas de dureza para liga Al-3,8%Cu solubilizada por tempos variando de 2 às 48h e envelhecida artificialmente. ... 52
TABELA 13 - Medidas de dureza para lingotes de latas de alumínio e para a nova liga Al-3,8%Cu ambas no estado bruto de fusão. ... 52
TABELA 14 - Resultados da laminação. ... 74
TABELA 15 – Determinação do tamanho médio de grão. ... 79
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVO ... 20 2.1 OBJETIVO GERAL ... 20 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 20 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21 3.1 O ALUMÍNIO ... 21 3.2 RECICLAGEM ... 23 3.3 Ligas de Alumínio ... 25 3.4 TIXOCONFORMAÇÃO ... 28 3.4.1 Condicionamento microestrutural ... 30
3.5 EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL NO ESTADO SEMI-SÓLIDO ... 31
3.6 DETERMINAÇÃO DA FRAÇÃO SÓLIDA ... 35
3.7 PROPRIEDADES MECÂNICAS ... 38
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 40
4.1 MATERIAIS ... 42
4.2 FUSÃO DAS LATAS E ELABORAÇÃO DA NOVA LIGA DE Al-4,8%Cu ... 43
4.3 TEMPERATURA DE PROCESSAMENTO ... 48 4.4 CONDICIONAMENTO ... 49 4.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS (T6)... 55 4.6 TIXOFORJAMENTO ... 58 4.7 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL ... 61 4.8 TAMANHO DE GRÃO ... 62 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 63
5.1 TEMPERATURAS DE INÍCIO E FIM DE FUSÃO ... 63
5.2 EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL ... 66
5.3 CONDICIONAMENTO ... 73
5.4 SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO ARTIFICIAL (T6) ... 82
5.5 VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DOS PARÂMENTROS DA TIXOCONFORMAÇÃO ... 84
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 99 REFERÊNCIAS ... 100
1 INTRODUÇÃO
O interesse nas propriedades mecânicas e reológicas de ligas no estado semi-sólido (ESS) teve início na década de 1970 através dos estudos realizados por Spencer, Mehrabian e Flemings, que estudavam o comportamento reológico de ligas Sn-15Pb durante a solidificação (SPENCER et a.l, 1972). Assim foi criado um modelo para avaliar a viscosidade das ligas parcialmente solidificadas (FAN, 2002). No trabalho desenvolvido por Spencer et al., mediu-se a viscosidade da liga em função da fração sólida enquanto a liga era agitada continuamente por um rotor. Este procedimento trouxe resultados inesperados, como mostra a Figura 1. Para a liga que sofreu uma intensa taxa de agitação de 200s-1 os valores das tensões cisalhantes assumiram grandezas da ordem de 1000 vezes menores quando comparados com a liga agitada a 0,16s-1.
Figura 1 - Evolução da tensão de cisalhamento em função da fração sólida para a liga Sn-15Pb. (a) Estrutura dendritica e taxa de cisalhamento de 0,16 s-1. (b) Estrutura globular e
taxa de cisalhamento de 200 s-1.
Comparando-se a Figura 1a com a Figura 1b observa-se que o menor valor para as tensões cisalhantes do experimento sob elevada agitação, deve-se a formação de microestrutura com partículas sólidas finas, dispersas no meio líquido e globulares. Posteriormente, em 1976 Joly e Mehrabian resolveram fazer outros estudos com a mesma liga, mas, variando-se também a taxa de resfriamento sob a vigorosa agitação. Eles descobriram que quanto menor for a taxa de resfriamento menor será a viscosidade final para uma fração sólida fixa. Este resultado é apresentado na Figura 2 e tomando-se uma fração sólida arbitrária de 0,4 tem-se que a viscosidade para uma taxa de resfriamento de 0,33ºCmin-1 comparada 25ºCmin-1é cerca de 4 vezes menor. Tal resultado também é atribuído a melhor globularização e molhamento das partículas durante o resfriamento, pois, a massa semi-sólida resfriada lentamente ficou sujeita a agitação por um tempo mais prolongado.
Figura 2 - Viscosidade aparente em função da fração sólida “fs” para três amostras agitadas
a uma taxa de 750s-1 e resfriadas sob taxas constantes de 0,33; 1,0 e 25 0Cmin-1.
Diante destes resultados, percebeu-se então, que a conformação de peças no estado semi-sólido com microestrutura globular poderia trazer redução dos esforços mecânicos de conformação necessários, quando comparado com uma microestrutura dendrítica. A Figura 3 apresenta os exemplos típicos de microestrutura dendrítica e globular para uma liga de alumínio A356 obtidas em um trabalho recente desenvolvido na Universidade de Ciência e Tecnologia de Beijing, China (WEI-MIM et al., 2010), O processo usado por Wei-Mim et al, para obtenção da estrutura globular no ESS é diferente do processo usado por Spencer nos anos 70. Na verdade, depois da descoberta feita por Spencer surgiram vários processos para se obter a estrutura globular e que atualmente são ainda temas de estudos para diversos pesquisadores(FLEMINGS, 1991; KIRKWOOD, 1994; FAN, 2002; ATKINSOM, 2005). A estes processos dá-se o nome de condicionamento microestrutural e este condicionamento ou pré-condicionamento irá promover a formação da estrutura globular.
Figura 3 - Microestruturas para liga A356 (a) Dendrítica (b) Globular.
Fonte: WEI-MIM et al., 2010.
Assim, atualmente, para os processos de conformação de ligas no ESS dá-se o nome de tixoconformação (KIRKWOOD, 1994). A liga que mais tem sido utilizada para este fim são as do tipo Al-Si. Em especial há de se destacar as ligas A356 e A357. No caso destas ligas, a conformação no ESS, além de trazer benefícios durante o processo, traz também melhores propriedades mecânicas finais, inclusive
maior resistência à fadiga, o que acabou por consolidar a aplicação destas na indústria automobilística. Alguns trabalhos demonstram que produtos tixoconformados exibem propriedades mecânicas superiores aos produtos fundidos ou injetados sob pressão (KIRKWOOD, 1994; CHIARMETTA, 1996; ATKINSOM et al., 1998; BIERI et al., 1998; STUCKY et al., 1998), conforme mostra a Tabela 1 e em alguns casos as propriedades são muito próximas às dos produtos forjados (KIRKWOOD, 1994).
Tabela 1 - Propriedades mecânicas da liga A356-T6 obtidas por diferentes processos de conformação.
*L.E. (MPa) **L.R. (MPa) Alongamento (%)
“Squeezecasting1” 265 309 5
Molde permanente 186 262 5
Fundição em areia 150 180 3
SS (globular) 257-280 318-344 6-13
*L.E.: Limite de escoamento **L.R.: Limite de resistência Fonte: KIRKWOOD, 1994; STRUCKY et al., 1998; HAIZHI, 2003.
O estudo e desenvolvimento de ligas para tixoconformação requer pesquisas basicamente em três grandes áreas: evolução microestrutural, reologia associadas às condições de fluxo e comportamento mecânico das ligas tixoconformadas. Um grande número de autores tem feito estudos para diversas ligas tais como ligas de alumínio A356, A357, 2024 ou simplesmente ligas de Al-4%Cu (FERRANTE, 2001; DE FREITAS et al., 2004; VIEIRA, 2004; ASHOURI et al., 2008; SADOUGH et al., 2010). Muitas ligas de Mg também tem sido objeto de estudo tais como AZ91, AM60 (KOREN et al., 2002; ZHANG et al., 2008; JIANG et al., 2010).
1. Squeezecasting
– a liga é aquecida até a temperatura correspondente à linha líquidus. Logo que a mesma começa a solidificar entrando no campo do ESS, faz-se a conformação sob pressão em baixa velocidade (bem menor que o processo die casting) evitando fluxo turbulento.
Estudos de ligas de alumínio com adição de compósitos é outro campo (CHIARMETTA, 1996; ZHANG et al., 2010; HEIDARY, 2011). Para a maioria destas situações, é possível verificar a existência de trabalhos que abordam todas as três grandes áreas de estudo. Contudo, até os dias atuais, as ligas de alumínio são as que efetivamente conseguiram se consolidar, em especial no campo automotivo (JORSTAD, 2001; MÖLLER et al., 2010).
Por outro lado, é sabido que a fabricação de ligas tais como a A356 e a 2024 são oriundas de matérias primas com elevada pureza, logo, de custo elevado. Tal fato é justificado em especial pelo controle do teor de Fe, elemento muito prejudicial às ligas de alumínio que não pode ser removido por meios economicamente viáveis restando apenas à opção de diluição quando deseja-se reduzir sua concentração. E neste contexto, o Brasil é um dos grandes consumidores de latas de alumínio para acondicionamento de bebidas. As ligas das latas de alumínio basicamente compõem-se de uma mistura da liga 3004 e 5182 mais contaminantes. Seu ciclo através da reutilização para fabricação de novas latas é interessante, mas, por outro lado, é limitado. As latas de alumínio possuem uma composição química peculiar a qual não é possível adaptar nenhuma outra liga. Se esta matéria prima pudesse ter aplicações mais nobres, como na indústria automobilística, talvez seja possível ampliar o uso e agregar valor.
Este trabalho visou fundir, conformar, tratar termicamente e desenvolver uma rota de fabricação de uma nova liga para processamento no ESS. Os estudos foram feitos a partir da fusão de uma mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas dos processos de reciclagem de latas de alumínio.
2 OBJETIVO
2.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver uma nova liga para processamento no ESS a partir da mistura das ligas 3004 e 5182 oriundas dos processos de reciclagem de latas de alumínio com adição 4,8% de cobre metálico comercial.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Fundir a nova liga reciclada;
Estudar a melhor rota de condicionamento por deformação com objetivo de obter a microestrutura globular;
Determinar as melhores temperaturas e tempo para o tratamento térmico solubilização/envelhecimento da nova liga;
Conhecer a microestrutura inicial da liga reciclada e de todas as demais etapas;
Desenvolver uma matriz adequada para confecção dos corpos de prova;
Conformar corpos de prova no ESS previamente condicionados;
Realizar o tratamento térmico adequado e medir o limite de escoamento e alongamento das novas ligas;
Comparar os resultados com as ligas fundidas convencionalmente e também com as já consolidadas no mercado.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 O ALUMÍNIO
O alumínio apesar de ser o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, dentre todos os metais, foi um dos últimos a ser utilizado em escala industrial. Mesmo utilizado milênios antes de Cristo, o alumínio começou a ser produzido comercialmente há cerca de 150 anos. Sua produção atual supera a soma de todos os outros metais não ferrosos. Esses dados já mostram a importância do alumínio para a nossa sociedade. Antes de ser descoberto como metal isolado, o alumínio acompanhou a evolução das civilizações. Sua cronologia mostra que, mesmo nas civilizações mais antigas, o metal dava um tom de modernidade e sofisticação aos mais diferentes artefatos.
O aumento do consumo do alumínio mostrou que este metal tem um grande significado na indústria moderna. Sendo atualmente, o mais importante dos metais não ferrosos e está entre os mais consumidos. A variedade de aplicações do alumínio está relacionada com suas características físico-químicas, com destaque para seu baixo peso específico de apenas 2,7g/cm3quando comparado com outros
metais de grande consumo. Além disso, suas ligas podem ter alta resistência à corrosão, alta condutibilidade elétrica e térmica e elevada resistência mecânica. Por exemplo, no caso da liga ASM 2024, o limite de escoamento pode chegar até 469MPa, limite de resistência de 579MPa e alongamento de 11% (ABEL et al., 1990). Este resultado é superior a muitos tipos de aços. Essas propriedades são de grande interesse para indústria diversificar seus produtos e criar soluções para outros mercados, como o setor automotivo e de construção civil.
Em 2009, o Brasil foi o terceiro maior produtor mundial de bauxita atingindo a marca de 28 milhões de toneladas correspondendo a 13,9% da produção mundial, o país é superado pela Austrália com 31,4% e China com 18,4%. Em termos de reservas o
Brasil situa-se em quinto lugar com 1,78 bilhões de toneladas, atrás de países tais como Guiné, Austrália, Vietnã e Jamaica. A maior reserva brasileira que corresponde a 76,3% do total nacional, é a terceira maior reserva de bauxita no mundo, localizada no Pará na região amazônica, perdendo apenas para Austrália e Guiné. Além da Amazônia, o minério também pode ser encontrado na região de Poços de Caldas (MG) e Cataguases (MG). Já a produção de alumina é dominada pela Austrália, Brasil, China e Índia (CARDOSO et al., 2011; BRAY, 2012).
De Acordo com a U. S. Geological Survey (USGS), em 2011 o maior produtor de alumínio primário foi a China com 18,1 milhões de toneladas, seguida pela Rússia com 4,0 milhões de toneladas. O Brasil ficou na oitava posição com 1,41 milhões de toneladas. Embora o Brasil tenha grandes reservas de bauxita e também seja produtor de alumínio primário não possui um papel significativo na produção mundial. A Tabela 2 mostra a produção e capacidade instalada de alumínio primário dos principais países produtores nos últimos três anos (BRAY, 2012).
Tabela 2 - Produção e capacidade mundial de alumínio primário (milhões de toneladas).
País Produção Capacidade
2009 2010 2011 2009 2010 2011 China 12,9 16,2 18,1 19,0 23,0 25,0 Rússia 3,82 3,95 3,99 4,28 4,44 4,44 Canadá 3,03 2,96 2,98 3,09 3,02 3,02 Austrália 1,94 1,93 1,95 2,05 2,05 2,05 Estados Unidos 1,73 1,73 1,99 3,5 3,2 3,2 Brasil 1,54 1,54 1,44 1,7 1,7 1,7 Índia 1,4 1,45 1,67 1,7 1,95 2,31 Emirados Árabes 1,01 1,4 1,80 1,12 1,8 1,8 Outros 9,94 9,63 10,27 12,4 12,35 12,36 Total 37,31 40,79 44,19 48,84 53,51 55,88 Fonte: BRAY, 2012.
Outro aspecto importante na indústria de produção do alumínio primário é o consumo de energia elétrica. Conforme pode ser visto na Figura 4, este insumo representa 29% do custo médio de produção. No Brasil esta média é de 35%, além disso, esse consumo representa mais de 6% de toda a energia elétrica gerada e consumida no país (CARDOSO et al., 2011).
Figura 4 - Custo de produção médio anual de alumínio primário – base 2009.
Fonte: CARDOSO et al., 2011.
3.2 RECICLAGEM
Podemos considerar que no Brasil, o alumínio é o primeiro material a ser lembrado quando o assunto é reciclagem. Este é um dos principais atributos que o alumínio possui, se destacando pela sua sustentabilidade em termos econômicos, sociais e ambientais. Já que o alumínio é 100% reciclável sem haver qualquer perda de suas qualidades, sua reciclagem é um processo pelo qual a sucata pode ser reutilizada para confecção de novos produtos (SCHLESINGER et al., 2000; LAYARGUES, 2002). O alumínio pode ser reciclado indefinidamente podendo ser utilizado para produzir qualquer produto ao invés de se usar alumínio primário, como esquadrias de alumínio (BRANDTAEG, 2012), telhas (CERQUEIRA, 2000), etc., desde que a composição química da liga reciclada não possua elementos prejudiciais.
Quando possível, o uso de ligas de alumínio reciclado é mais vantajoso que o alumínio primário extraído da bauxita, pois, o processo de reciclagem consome cerca de 4,3% da energia utilizada na produção a partir do minério. Além disso, emite apenas cerca de 5% de gases causadores do efeito estufa. Alguns processos de reciclagem possuem a desvantagem de promoverem a perda significativa de metal podendo chegar 15% do material de entrada, geralmente é perdido na forma de drosse (GARC, 2009).Nos entanto, existem rotas para melhorar o rendimento e a drosse pode passar por outras etapas que permitem a retirada do alumínio metálico (HWANG et al., 2006) e o rendimento total pode chegar a 95%. O processo de produção de alumínio primário exige uma grande quantidade de eletricidade em seu processo. Para cada tonelada de alumínio produzido a partir do minério de bauxita, são necessários 17.600 KW/h.
Reciclando uma tonelada, o gasto é de 750 KW/h. Portanto, uma única lata reciclada representa uma economia de eletricidade equivalente ao de uma televisão ligada por três horas. A reciclagem de 1.000 Kg de alumínio significa 5.000 Kg de minério de bauxita poupados (VASQUEZ, 2009).
No Brasil de acordo com o relatório da Associação Brasileira do Alumínio (ABAL), reciclou-se 441,4 mil toneladas de alumínio em 2010. Pelo relatório estima-se que no caso da reciclagem de latas de alumínio para bebidas, tais como cerveja, suco e refrigerante, atingiu-se a marca de 221,1 mil toneladas de sucata, o que corresponde a 16,4 bilhões de unidades. Com isso, o Brasil lidera pelo décimo ano consecutivo a primeira posição de maior reciclador de latas no mundo, com um índice de 97,6%, ficando a frente de países como o Japão (92,6%), Argentina (91,1%) e Estados Unidos (58,1%). Nos países europeus, embora apresentem uma legislação de reciclagem bastante rígida, possuem um índice médio de apenas 64,3% (ABAL, 2012). A Figura 5 e a Tabela 3 mostram a evolução da reciclagem de latas de alumínio no mundo dos últimos 11 anos.
Figura 5 - Reciclagem de latas de alumínio no mundo – base 2010.
Fonte: ABAL, 2012.
Tabela 3 - Evolução dos índices de reciclagem de latas dos principais países nos últimos 11 anos.
País Taxa Anual (%)
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Brasil 77,7 85,3 86,5 89,2 95,7 96,2 94,4 96,5 91,5 98,2 97,6 Argentina 50,2 52,4 78,2 80,1 78,3 88,1 89,6 90,5 90,8 92,0 91,1 EUA 62,1 55,4 53,4 50,1 51,2 52,0 51,6 53,8 54,2 57,4 58,1 UE 43,3 45,1 46,5 48,1 48,2 52,0 87,7 62,0 63,1 64,3 - Japão 80,6 82,8 83,1 81,8 86,1 91,7 90,9 92,7 87,3 93,4 92,6 Fonte: ABAL, 2012. 3.3 LIGAS DE ALUMÍNIO
Devido ao fato das ligas de alumínio possuir uma relação resistência/peso elevada, favorece o seu uso nos mais diversos setores da cadeia produtiva tais como: indústria automobilística, construção civil, transportes e equipamentos. Os elementos de liga típicos são: o cobre, magnésio, manganês, silício e zinco (ABEL et al., 1990), como mostra a Tabela 4. Estas ligas são dividas em dois grandes grupos: ligas destinadas aos processos de fundição e ligas destinadas a processos de
97,6 92,6 91,1 64,3 58,1 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 % r ec ic la d a Ano Brasil Japão Argentina Europa Estados Unidos
conformação mecânica. As composições são similares, porém, devido ao tipo de processamento dão-se denominações específicas para as mesmas.
Tabela 4 - Classificação das ligas de Alumínio.
Ligas conformáveis Ligas para fundição
Série Principais elementos de liga Série Principais elementos de liga
2xxx Al-Cu 2xx.x Al-Cu
3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si, Al-Mg-Cu
4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si
5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg
6xxx Al-Si-Mg 6xx.x não aplicável
7xxx Al-Mg-Zn 7xx.x Al-Zn-Mg-Cu-Cr
8xxx Al-Li-Sn-misturas 8xx.x Al-Sn-outros
Fonte: ABEL et al., 1990.
As ligas de alumínio também podem ser subdivididas em duas categorias: ligas tratáveis termicamente e ligas não tratáveis termicamente (ALVES, 2011). Normalmente as ligas de alumínio consideradas como tratáveis termicamente são aquelas oriundas de processos de conformação mecânica tais como: laminação, forjamento ou extrusão. As ligas de fundição quando submetidas a tratamentos térmicos tais como T6 favorecem a formação de defeitos, por isso são consideradas como ligas não tratáveis. No Brasil cerca de 75% de alumínio são utilizados para fabricação de produtos forjados, chapas laminadas, folhas, extrusões, trefilação conforme mostra a Tabela 5. As ligas fundidas mais importantes são as ligas Al-Si com o teor de silício variando de 4,0% a 13% (BIERI et al., 1998; STUCKY et al., 1198; WEI-MIM et al., 2010). Já para as ligas conformáveis a de se destacar as ligas contendo Cu variando de 0,5 a 6%. Todas estas ligas de alumínio são amplamente utilizadas em projetos de engenharia objetivando ter um controle de peso, resistência ou corrosão (POLMEAR; ARNOLD, 1995).
Neste trabalho dá-se destaque as ligas da série 2xxx, como a liga 2024, onde o cobre é um elemento de liga de destaque. A Tabela 6 mostra a composição química para este tipo de liga. Esta liga é muito versátil e pode ser usinada e forjada, por
isso, é muito utilizada na indústria aeronáutica e aeroespacial (HUDA et al., 2009), também no setor de transportes, máquinas e equipamentos.
Tabela 5 - Produção de produtos transformados de alumínio (em ton).
Tipos de Produtos 2008 2009 2010 Chapas (1) 461,7 427,4 490,7 Folhas 83,9 82,2 94,8 Extrudados 230,1 204,8 267,8 Fios e cabos (2) 152,8 125,6 118,5 Fundidos e forjados 219,1 183,7 231,3 Pó 46,7 25,5 41,7 Usos destrutivos 40,2 31,6 39,1 Outros 22,7 17,3 22,4 TOTAL 1.257,2 1.098,1 1.306,3
Notas: (1) Considera chapas planas, chapas em bobinas, discos e lâminas. (2) Inclui vergalhão exportado.
Fonte: ABAL, 2012.
Tabela 6 - Composição química para a liga 2024.
% Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti
Min - - 3,8 0,30 1,20 - -
Max 0,5 0,5 4,9 0,90 1,80 0,25 0,15
Fonte: ABEL et al., 1990.
As ligas da série 2xxx podem apresentar diferentes tipos de elementos de liga, adicionados com diversas finalidades, os quais podem levar à formação de diversas fases diferentes, o cobre, por exemplo, ajuda na formação de precipitados endurecedores, este elemento em solução saturada, poderá favorecer a formação do Al2Cu que é uma fase comum nos processos de envelhecimento artificial (T6).
Este tipo de precipitado pode se formar mesmo sob temperatura ambiente (T5), ou seja, envelhecimento natural, aumentando as propriedades mecânicas do material (ZOQUI; ROBERT, 1998). Porém a presença de Cu em grandes quantidades poderá formar outros precipitados intermetálicos, apresentando uma atividade eletroquímica diferente da matriz, formando assim micropilhas galvânicas, e aumentando a susceptibilidade da liga a incidência da corrosão (DUTRA et al., 2002). No caso da
liga 2024, esta possui também o manganês em teores relativamente altos, originando assim a formação da fase Al12(Fe,Mn)3Si, presente também em outras
ligas, que sob a forma de partículas dispersóides retardam os processos de recristalização e crescimento de grão. No caso da liga 2011, esta apresenta manganês e magnésio em baixos teores e altos teores de ferro e silício, originando uma fase insolúvel Al7CuFe2 ou ainda o Al5FeSi.
3.4 TIXOCONFORMAÇÃO
Atualmente define-se como tixoconformação, todos os processos onde a rota de conformação do metal se dá no estado semi-sólido (ESS). Conforme já explicado, embora os estudos relacionados a este processo tenham se iniciado na década de 1970 por Spencer e colaboradores (SPENCER et al., 1972; KIRKWOOD, 1994; FAN, 2002), esta tecnologia tornou-se relevante mais recentemente e por isso, pode ser considerada como relativamente nova para a conformação de metais (FLEMINGS, 1991; CHAYONG et al., 2005). Nestes processos sempre existe o objetivo de formar uma microestrutura composta por grãos finos e equiaxiais os quais proporcionam melhores condições de formabilidade e também boas propriedades mecânicas, transformando uma microestrutura dendritica em globular (JIANG et al., 2003).O processo atualmente está mais consolidado para as ligas de alumínio, mas pode ser utilizado com outros metais não-ferrosos, tais como cobre e magnésio (CHEN et al., 1979; ROVIRA et al., 1999; PAES; ZOQUI, 2005) ou ferrosos (MILOSTEAN; FLORI, 2009, 2011). O processo combina as vantagens de fundição e forjamento.
Nos experimentos iniciais feitos por Spencer em 1971 (SPENCER et al., 1972), foi constatado que a liga de Sn-Pb no ESS sob agitação, conduz a uma globularização da micro estrutura, semelhantes à microestrutura mostrada na Figura 6. Foi por isso que surgiu a ideia de que a conformação no ESS para produzir uma estrutura globular que poderia trazer melhorias na fabricação de peças com relação à redução
de esforços comparando-se com o forjamento ou mesmo, com relação a uma microestrutura dendritica. Posteriormente, observou-se que produtos tixoconformados apresentam propriedades mecânicas superiores aos produtos fundidos ou injetados sob pressão (KIRKWOOD, 1994). Estas características são especialmente observadas para a liga A356 e A357, que são as ligas de alumínio mais utilizadas na fabricação de peças tixoconformadas para a indústria automobilística. Um aspecto muito importante são as rotas para obtenção da microestrutura globular. Inicialmente, a estrutura globular era obtida sob agitação vigorosa, mas após a descoberta de Spencer e Flemings surgiram vários outros estudos que possibilitam a chegar a resultados semelhantes. Dependendo da forma como é obtida a microestrutura globular e também da fração sólida utilizada, os processos de tixoconformação assumem nomes mais específicos tais como reofundição, tixoforjamento, tixofundição, nova reofundição.
Figura 6 - Exemplo de microestrutura globularizada de uma liga A356.
3.4.1 Condicionamento microestrutural
Existem diferentes técnicas para se produzir peças a partir do estado semi-sólido, ou seja, tixoconformação. Já foi dito que os processos de tixoconformação podem assumir nomes mais específicos dependendo da rota de processamento. Para as ligas de alumínio os processos mais comuns são tixofundição, reofundição e tixoforjamento. A Figura 7 apresenta estas rotas para o processamento de ligas no ESS e podem ser definidas da seguinte forma:
Reofundição: a liga fundida será resfriada por agitação até atingir uma solidificação parcial e então injetada na matriz;
Tixofundição: a liga é resfriada sob agitação e depois de solidificada estará condicionada. A liga poderá ser condicionada também através de um processo de deformação mecânica. Existem outros métodos de condicionamento tais como: solidificação controlada em baixa temperatura ou a técnica osprey a qual consiste em fazer depósitos da liga pulverizada sobre um substrato formando uma microestrutura com micropartículas. Posteriormente a liga condicionada passa por um processo de refusão parcial sob uma temperatura e fração sólida fixa com o tempo de permanência que geralmente varia de 10 a 20min. Em seguida a liga é injetada na matriz se a fração sólida for menor que 0,5;
Tixoforjamento: a liga é condicionada por um dos métodos já explicados no item anterior, portanto é um processo semelhante ao de tixofundição. O que o difere é que neste processo a fração sólida utilizada for superior a 0,5;
Figura 7 - Rota de processamento no ESS.
Fonte: VIEIRA, 2004.
3.5 EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL NO ESTADO SEMI-SÓLIDO
O principal mecanismo que envolve a globularização das estruturas no ESS é o engrossamento. Este engrossamento pode se originar por dois mecanismos distintos: o crescimento competitivo por Ostwald ripening ou LSW (LIFSHITZ; SLYOZOV, 1961; VOORHEES; GLICKSMAN, 1984) e o mecanismo da coalescência. No primeiro, esta envolvida a transferência de massa preferencialmente de superfícies com pequenos raios de curvatura para superfícies de maiores raios, onde tornam a superfície interna mais plana e com maior raio de curvatura, aumentando a relação volume versus área superficial (v/s), com o intuito de diminuir a energia superficial. No segundo, tem-se a união de várias partículas pelo contato mútuo. Para o mecanismo de Ostwald ripening durante o engrossamento, o crescimento das partículas grandes se dá pela absorção das pequenas partículas e isto propicia um acréscimo no tamanho médio das partículas e um decréscimo em número. Os fenômenos de Ostwald ripening e a coalescência operam simultaneamente e independentemente assim que o líquido é formado.
No crescimento competitivo, devido a sua importância no processo de engrossamento, várias pesquisas têm sido feitas para tratar deste assunto tanto teoricamente quanto na prática experimental. Para os sistemas no ESS o crescimento das partículas pode ser modelado pela adaptação da clássica equação desenvolvida por Lisfhitz, Slyozov e Wagner (LSW) (LIFSHITZ; SLYOZOV, 1961) e assim:
k.t
R
R
n
0n
(1)Onde R e R0 são o tamanho médio das partículas no tempo t e no tempo zero,
respectivamente, e k uma constante cinética dada por:
)
C
(C
9M
8D
k
L S L
(2)Onde é o coeficiente de Gibbs-Thomson [m.K]; D é o coeficiente de interdifusão no líquido [m2.s-1]; M
L é a inclinação da curva liquidus [K.at-1.%elemento-1]; CL é a
concentração de soluto no líquido [%] e CS a concentração de soluto no sólido [%].
No caso de ligas de alumínio no ESS, a teoria LSW adaptada requer duas observações:
i) o elemento que difunde é o Al, já que a fase que está crescendo é Al-α; sendo necessário neste caso calcular o coeficiente de autodifusão;
ii) a constante cinética deve ser modificada para levar em conta situações com alta fração da fase que está em processo de crescimento.
Desse modo, a equação LSW fica:
)
(
k
k
1
f fs (3)k1 é a constante cinética modificada, e f(fs) é uma função da fração sólida e é dada
por: 3 3 -1 ) ( s s f f f (4)
Aqui α é um parâmetro calculado por Voorhees (VOORHEES; GLICKSMAN, 1984) que irá assumir valores diferentes em função da fração sólida. A Tabela 7 mostra os valores de α calculado para diversas frações de sólidas.
A equação LSW modificada fica:
.t
k
R
Tabela 7 - Constante de crescimento K1, é o potencial de campo médio em função da
fração de sólido fs da fase que cresce.
fs k1 0,00 1,00000 0,44444 0,01 0,99210 0,55317 0,05 0,98348 0,66938 0,10 0,97584 0,77076 0,15 0,96882 0,86234 0,20 0,96180 0,95240 0,25 0,95451 1,04451 0,30 0,94674 1,14091 0,35 0,93831 1,24347 0,40 0,92904 1,35408 0,45 0,91870 1,47468 0,50 0,90694 1,60714 0,55 0,89358 1,75514 0,60 0,87798 1,92119 0,65 0,85950 2,10973 0,70 0,83720 2,32656 0,75 0,80954 2,57868 0,80 0,77415 2,87661 0,85 0,72676 3,23533 0,90 0,65857 3,67850 0,95 0,54546 4,25475 Fonte: LIFSHITZ; SLYOZOV, 1961.
Segundo a teoria LSW o valor de “n” pode ser igual a 2, tendo como mecanismo controlador do crescimento uma reação interfacial (dificuldade dos átomos de cruzarem as interfaces s/l e l/s), ou então igual a 3, onde a difusão de átomo de soluto é a etapa controladora. Para sistemas semi-sólido usa-se n=3 (LIFSHITZ; SLYOZOV, 1961; LOUÉ; SOUÉRY, 1995).
Nas estruturas dendríticas, o mecanismo de Ostwald ripening consiste na dissolução de ramos menores, difusão do soluto no líquido e a incorporação de soluto nos ramos mais grosseiros. O resultado deste mecanismo é a redução do número de ramos e o aumento da distância entre eles.
Já o mecanismo de coalescência ocorre devido ao contato físico direto entre duas partículas, seja esta de forma dendrítica ou globular, e daí resulta na supressão de superfícies de separação, levando a coalescência das partículas e no caso de dendritas, dois ou mais braços formam um só, com maiores dimensões.
Em linhas gerais para as ligas de alumínio, a fase primária sólida que geralmente é envolta por líquido, tende naturalmente a globularizar devido a fenômenos de redução da energia superficial, seja por coalescimento ou por crescimento competitivo. A manutenção do material a uma temperatura e tempo adequado no ESS favorece esta transformação. Por isso, que nos processos de conformação no ESS sempre se deve ter um tempo de espera no ESS antes da conformação propriamente dita. Este tempo geralmente varia de 5 a 30min. O resultando final é uma estrutura com morfologia globular as vezes irregular, caso o método de condicionamento não seja tão favorável a globularização. Também é possível às vezes a presença de líquido aprisionado no interior das partículas, geralmente é resultado dos fenômenos de coalescência dos ramos dendríticos adjacentes e de glóbulos em contato.
3.6 DETERMINAÇÃO DA FRAÇÃO SÓLIDA
Um dos parâmetros mais importantes para conformação no ESS é a fração sólida de processamento (fs). A fração sólida influencia diretamente nas condições de fluxo e
no preenchimento de moldes e cavidades. Dependendo da fração sólida o processo de tixoconformação irá se chamar tixoforjamento para fs>0,5 e tixofundição para fs<0,5. Nos processos industriais, geralmente a solidificação ocorre sob condições
fora do equilíbrio termodinâmico. No caso da conformação no ESS, para estimar a fração sólida, considera-se um modelo de solidificação de equilíbrio local na interface sólido-líquido. Na interface, as concentrações de soluto no sólido e no líquido são dadas pelas linhas solidus e liquidus do diagrama de equilíbrio da liga
que se esta trabalhando. As concentrações de equilíbrio de interface relacionam-se através do coeficiente de partição β:
i l i s
c
c
β
(6)Considerando que a difusão de soluto no líquido não seja um fator limitante, três aproximações podem ser usadas para calcular a fração de sólido na linha de coexistência das duas fases:
i) completa difusão na fase sólida: não existe gradiente de soluto nesta (solidificação sob equilíbrio – regra da alavanca).
T
T
T
T
β
1
1
c
c
c
β
1
1
F L l 0 l s f (7)co é a concentração de soluto na liga, T é a temperatura de interesse; fs, TF e TL são
a fração sólida, a temperatura de fusão do solvente e a temperatura da linha liquidus da liga.
ii) ausência difusão na fase sólida: o resfriamento é rápido e a difusão não é suficiente para eliminar o gradiente de soluto na fase sólida. Neste caso considera-se que existe um gradiente de concentração de soluto na faconsidera-se sólida. Com essa aproximação foi deduzida a equação de Scheil:
1 β 1 L F F 1 β 1 0 l
T
T
T
T
1
c
c
1
sf
(8)iii) limitada difusão na fase sólida. Considera-se um parâmetro β e assume-se que a taxa de solidificação seja parabólica (equação de Brody e Flemings).
1 K 2α 1 L F FT
T
T
T
1
2
α
1
1
s f (9) 2 P S Sd
t
D
α
(10)Ds é o coeficiente de difusão no sólido, ts é o tempo de solidificação local e dP o
espaçamento das dendritas primárias ou o diâmetro médio de grão.
Sabe-se que, tanto a equação de Scheil quanto a regra da alavanca são bastante eficientes pra se estimar a fração sólida de uma liga a uma dada temperatura conforme foi demonstrado por Leão Oliveira et al (2009) em um trabalho recente. Contudo, para o uso em sistemas no ESS, normalmente utiliza-se a equação de Scheil e praticamente todos os pesquisadores concordam nessa escolha. Para as ligas contendo vários elementos a fração sólida (fs) é calculada a partir da
determinação das temperaturas de início e fim de fusão da liga utilizando-se, por exemplo, módulos de análise térmica diferencial (ATD) ou análise calorimétrica diferencial (DSC) para este fim.
3.7 PROPRIEDADES MECÂNICAS
Ao longo dos últimos 60 anos, houve uma grande quantidade de tentativas para se determinar as propriedades mecânicas das ligas metálicas de alumínio, e nos últimos 31 anos daquelas conformadas no ESS (ESKIN et al., 2004; CHEN et al., 2012). As ligas de alumínio da série 2xxx, onde o principal elemento de liga é o cobre são tratáveis termicamente e atingem níveis de resistência bastante elevados chegando a 430MPa, valores que são superiores aos de alguns tipos de aços. Desta forma, conclui-se que as propriedades mecânicas podem ser modificadas e otimizadas através de processos de tratamento térmico (CAMPANA; PILONE, 2009; SJÖLANDER; SEIFEDDINE, 2010). A Tabela 8 mostra como o tratamento termico pode influenciar as propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio, tais como: 2011, 2014, 2017, 2024 e alumínio puro.
Tabela 8 - Propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio.
LIGA Tratamento Limite de escoamento (Mpa) Limite de resistência (MPa) Alongamento (%) Dureza Brinell (HB) 2011 T3 2 296 379 15 95 T85 310 407 12 100 2014 01 97 186 18 45 T64 414 483 13 135 2017 0 1 69 180 22 45 T43 275 425 22 105 2024 0 1 75 186 20 47 T64 393 476 10 125 Al - 40 70 20 - 1 sem tratamento;
2 Tratada termicamente para solubilização e então trabalhada a frio;
3 Tratada termicamente para solubilização e então envelhecida a temperatura ambiente; 4 Tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente;
5 Tratado por solubilização, trabalhado a frio e envelhecido artificialmente.
A literatura mostra uma série de estudos feitos sobre as propriedades mecânicas das ligas de alumínio, Zoqui estudou uma liga Al-4,5wt%Cu (ZOQUI et al., 1996) processada por duas diferentes formas, sendo uma fundida e outra reofundida. As ligas foram submetidas a um tratamento térmico de solubilização (500ºC) e envelhecimento (170ºC) – T6.
Através destes estudos foi possível avaliar as propriedades mecânicas para essa liga como é mostrado na Tabela 9. Pode-se observar que a liga reofundida não apresenta melhoria significativa de suas propriedades mecânicas quando, comparado com a liga fundida. Porém, após tratamento térmico T6 percebe-se que a liga reofundida apresenta um limite de resistência mecânica final em torno de 18% maior, mantendo-se o alongamento médio em torno de 8,2%.
Tabela 9 - Propriedades mecânicas da liga Al-4,5wt%Cu.
Propriedades Mecânicas
Sem tratamento térmico Com tratamento térmico
ε1 σe2 σr3 ε1 σe2 σr3
(%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa)
Fundido 6,4 96,3 230,0 6,9 100,8 245 7,3 86,6 203,5 7,5 98,5 234 7,9 80,9 190,3 8,6 92,9 220 9,2 79,4 177,2 10,7 88,4 198 Deformado e Reofundido 3,6 70,3 175,5 5,9 100,5 274 4,2 70,5 170,2 7,3 97,6 270 5,7 70,4 175,5 8,9 65,6 265 6,8 70,6 167,6 10,8 88,9 256 1 alongamento; 2 limite de escoamento; 3 limite de resistência;
Fonte: ZOQUI et al., 1996; ZOQUI; ROBERT, 1998.
A liga reofundida provavelmente terá melhor desempenho se submetida a esforços cíclicos, pois possui microestrutura globular. Assim, o processo de reofundição mantém as propriedades mecânicas associado a melhor resistência a fadiga.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma nova liga para conformação no ESS a partir de sucata. Basicamente envolveu as etapas de fusão, tixoconformação, tratamento térmico, caracterização química e microestrutural e ensaios de dureza e de tração. As atividades desenvolvidas estão sumarizadas no fluxograma da Figura 8. Primeiro, partindo-se de sucatas de latas de alumínio e posterior adição de Cu metálico foi produzida a nova liga. Para esta nova liga fez-se análise térmica diferencial (ATD) objetivando determinar o início e fim de fusão, com esta informação determinou-se com precisão o campo de ESS. A análise térmica diferencial permitiu definir as temperaturas a serem utilizadas na etapa posterior de tixoforjamento com o exato controle da fração sólida. Além disso, curvas de dureza para liga solubilizada e envelhecida artificialmente (T6) foram levantadas. Determinou-se também uma curva para envelhecimento natural. O tratamento térmico que produziu um maior incremento de dureza foi utilizado nas peças tixoconformadas que foram fabricadas posteriormente e utilizadas para confecção de corpos de prova de tração. Em todas as etapas acompanhou-se a evolução microestrutural da nova liga produzida com auxilio de um microscópio ótico. Com esta metodologia obteve-se uma liga com propriedades mecânicas equivalentes as ligas comercializadas no mercado como, por exemplo, a A356 (BOOSTANI; TAHAMTAN, 2010).
Figura 8 - Fluxograma do projeto de pesquisa.
Fonte: Autor.
Fusão da metéria prima (latas de alumínio) e adição de cobre metálico
Nova liga Al4,8%Cu
Definição da melhor rota de condicionamento Tixoconformação AM T6 AM Ensaios Mecânicos AM ATD/DSC
Definição das melhores condicoes de T6
AM Ensaios de Dureza
AM
Análise Microestrutural (AM)
4.1 MATERIAIS
A matéria-prima inicial usada neste trabalho consiste de sucatas de lata de alumínio. A nova liga foi obtida a partir da mistura das ligas 3004 e 5182, que eram respectivamente, corpo e tampa da lata. Além disso, para aumentar a concentração de cobre utilizou-se cobre comercial visando à marca de 4,8%.
A Tabela 10 apresenta a composição química nominal para as ligas 3004 (corpo da lata) e 5182 (tampa) (ABEL et al., 1990), bem como a composição química estimada considerando que a lata é formada por 75% em peso da liga 3004 e 25% da liga 5182. Além das latas de alumínio recicladas foi utilizado:
Cobre comercialmente puro;
Mistura salina equimolar de NaCl e KCl como escorificante para liberação do alumínio metálico;
Adição de Tiboral(Al5%Ti1%B) para modificação e refino de grãos;
Pastilhas de hexacloretano para promover a desgaseificação da liga (C2Cl6);
Tabela 10 - Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu.
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 3004 0,30 0,70 0,25 1,25 1,05 - 0,25 - 5182 0,20 0,35 0,15 0,35 4,5 0,10 0,25 0,10 Mistura calculada 0,28 0,61 4,82 1,03 1,91 0,03 0,25 0,03 Fonte: Autor.
4.2 FUSÃO DAS LATAS E ELABORAÇÃO DA NOVA LIGA DE Al-4,8%Cu
As latas foram fundidas em um forno de indução da marca Inductotherm100kVA conforme mostra a Figura 9a. Foram fundidos cerca de 6 kg de latas aquecidas a uma temperatura de aproximadamente 680ºC dentro de um cadinho de carbeto de silício. As Figuras 9b e 9c mostram o cadinho utilizado e o aspecto macroscópico das latas utilizadas. Todas as latas antes de serem carregadas no forno passaram por uma separação magnética utilizando-se um imã comum. Para facilitar a liberação do alumínio líquido que se forma durante o processo de fusão da sucata, inicialmente foi adicionado aproximadamente 15% em peso de fluxo salino composto por uma mistura equimolar de NaCl e KCl no fundo do cadinho de carbeto de silício. A figura 10 apresenta a mistura de sais utilizada. À medida que se adicionavam se as latas adicionava-se também o fluxo salino chegando-se a uma quantidade máxima de aproximadamente 20% em peso. Nesta etapa não objetivou-se economizar no fluxo já que o mais importante era maximizar a recuperação de alumínio. A massa de metal fundido e o fluxo foram então misturados por um período aproximado de 5min onde conseguiu-se a liberação do alumínio no fundo do cadinho formando uma drosse composta basicamente por uma mistura do fluxo salino e óxido de alumínio na superfície. Para retirar a drosse formada utilizou-se uma escumadeira de aço. Depois de fundida, a liga foi vazada em coquilhas de aço gerando assim lingotes de alumínio pesando aproximadamente 500g conforme mostra a Figura 11.
Figura 9 - Forno de indução inductotherm-100kVA (a), e cadinho de carbeto de silício (b) e a carga de latinhas (c).
Fonte: Autor.
A Figura 9c apresenta também o maçarico a gás GLP utilizado para fazer o aquecimento prévio das coquilhas evitando-se explosões devido à presença de umidade.
Figura 10 - Mistura equimolar de NaCl e KCl.
Fonte: Autor.
Figura 11 - Coquilha de aço (a) e típico lingote de alumínio reciclado (b).
Fonte: Autor.
A Tabela 11 apresenta a composição química final para a liga de alumínio reciclada a partir das latas “Mistura Obtida”. Podemos observar que a composição é muito próxima da calculada por balanço de massa havendo uma maior discrepância apenas para o Mg. A perda do Mg é justificada devido ao processo de fusão e recuperação do alumínio a partir das latas.
Tabela 11 - Composição química da sucata (%em peso) estimada, composição química média obtida para as latas fundidas e composição da nova liga contendo 4,8% de Cu.
Liga Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Visado 0,28 0,61 4,8 1,03 1,91 0,03 0,25 0,03 Al4,8%Cu 0,22 0,57 4,8 0,78 1,32 0,015 0,036 0,045 AA 2024 0,50* 0,50* 3,8-4,9 0,3-0,9 1,2-1,8 0,10* 0,25* 0,15* *limites máximos Fonte: Autor.
As placas obtidas por este processo foram utilizadas para fazer os estudos de tratamento térmico, tixoconformação, análise microestrutural e ensaios de dureza e de tração visando o pleno desenvolvimento da nova liga. Na verdade, a composição final obtida encaixa-se perfeitamente na composição química da liga comercial Al-Cu 2024 (ABEL et al., 1990). Trata-se de uma liga aplicada em peças estruturais de aviões, rodas de caminhões, rebites, parafusos para máquinas, entre outras aplicações. Porém, trata-se de uma liga que comercialmente não é direcionada para fundição.
Todas as análises químicas para as ligas envolvidas foram feitas no Laboratório de Caracterização Instrumental localizado na Coordenadoria de Metalurgia do IFES, utilizando o equipamento de espectrometria de emissão ótica da marca OXFORD Mod. Foundry Master Pro.
Após a fusão das latas de alumínio, passou-se para a segunda etapa que foi a elaboração de uma nova liga contendo 4,8% de Cu. Esta escolha foi feita baseando-se no trabalho debaseando-senvolvido por Alves em 2011. A Figura 12 aprebaseando-senta o diagrama pseudo-binário para ligas recicladas a partir das latas de alumínio e com adição de Cu em concentrações variáveis. Para comparação é apresentado também o diagrama binário Al-Cu.
Figura 12 - Diagrama de fases da liga de Al (reciclada)-Cu.
Fonte: Adaptado de ALVES, 2011.
Os dados obtidos por Alves (2011) permitiram estabelecer o campo onde tem-se a coexistência de líquido e sólido e por isso escolheu-se fabricar a nova liga com aproximadamente 4,8% de Cu onde tem-se o maior intervalo de campo no ESS, Permitindo melhor controle da fração sólida em função da temperatura. Utilizando o mesmo cadinho de carbeto de silício e mesmo forno de indução, os lingotes foram refundidos. Porém, nesta etapa, a liga das latas fundida passou primeiro por um processo de desgaseificação utilizando-se pastilhas de hexacloretano (C2Cl6) como
mostra a Figura 13. Tal procedimento é muito importante porque favorece a remoção de óxidos presentes na liga e principalmente o gás H (hidrogênio atômico) dissolvido no banho. Após este procedimento foi removido a drosse formada com a escumadeira de aço e por fim, adicionou-se o cobre metálico visando uma concentração de 4,8%. Além disso, foi adicionado 0,5% em peso da massa total de Al5%Ti1%B conhecido como Tiboral, com o objetivo de favorecer o refino dos grãos formados. A liga final foi então vazada em uma coquilha de alumínio obtendo-se assim uma placa conforme mostra a Figura 14.
Figura 13 - Pastilha de hexacloretano.
Fonte: Autor.
Figura 14 - Coquilha de alumínio utilizada para produção de placas (a) e placa obtida (b).
Fonte: Autor.
4.3 TEMPERATURA DE PROCESSAMENTO
O que define a relação entre a fração sólida e a fração líquida para uma liga tixoconformável é a temperatura de processamento. Conforme já explicado, o cálculo da fração sólida e líquida pode ser obtido a partir da equação de Scheil ou usando-se a tradicional regra da alavanca. A Figura 15 mostra o equipamento de análise térmica diferencial (ATD), DTA-50 da marca Shimadzu que foi utilizado para determinar as temperaturas exatas de início e fim de fusão da nova liga Al-4,8%Cu.
