UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Ciências Aplicadas
LEONARDO GIOVANETTI ROSSI
PRODUÇÃO DE COMPOSITOS DE MATRIZ DE ALUMÍNIO
SUPERFICIAL POR FRICTION STIR PROCESSING
LIMEIRA 2020
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Ciências Aplicadas
LEONARDO GIOVANETTI ROSSI
PRODUÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ DE ALUMÍNIO
SUPERFICIAL POR FRICTION STIR PROCESSING
PRODUCTION OF SURFACE ALUMINIUM MATRIX COMPOSITES
BY FRICTION STIR PROCESSING
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Floriano.
Coorientador: Prof. Dr. Rodrigo José Contieri.
LIMEIRA 2020
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Aplicadas da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Produção e de Manufatura na área de Manufatura de Materiais Avançados.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO LEONARDO GIOVANETTI ROSSI, E ORIENTADA PELO PROF. DR. RICARDO FLORIANO
Renata Eleuterio da Silva - CRB 8/9281
Giovanetti, Leonardo,
G439p GioProdução de compósitos de matriz de alumínio superficial por friction stir
processing / Leonardo Giovanetti Rossi. – Limeira, SP : [s.n.], 2020.
GioOrientador: Ricardo Floriano.
GioCoorientador: Rodrigo José Contieri.
GioDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Aplicadas.
Gio1. Ligas de alumínio. 2. Compósitos. 3. Solda por fricção e mistura mecânica. 4. Coeficiente de atrito. I. Floriano, Ricardo, 1984-. II. Contieri, Rodrigo José, 1979-. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Ciências Aplicadas. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Production of surfece aluminium matrix composites by friction stir
processing
Palavras-chave em inglês:
Aluminium alloys Composites
Friction stir welding Coefficient of friction
Área de concentração: Manufatura de Materiais Avançados Titulação: Mestre em Engenharia de Produção e de Manufatura Banca examinadora:
Ricardo Floriano [Orientador] Daniel Iwao Suyama
Anibal de Andrade Mendes Filho
Data de defesa: 31-03-2020
Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Produção e de Manufatura
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0001-9043-2074 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/5715761561786993
Folha de Aprovação Autor: Leonardo Giovanetti Rossi
Título: Produção de compósitos de matriz de alumínio superficial por friction
stir processing
Natureza: Dissertação
Área de Concentração: Manufatura de Materiais Avançados Instituição: Faculdade de Ciências Aplicadas – FCA/Unicamp Data da Defesa: Limeira-SP, 31 de março de 2020.
BANCA EXAMINADORA:
Prof. Dr. Ricardo Floriano (orientador) Faculdade de Ciências Aplicadas - FCA/Unicamp
Prof. Dr. Daniel Iwao Suyama (membro) Faculdade de Ciências Aplicadas - FCA/Unicamp
Prof. Dr. Anibal de Andrade Mendes Filho (membro externo) Universidade Federal do ABC
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos aqueles que estiveram ao meu lado durante este período do mestrado, principalmente aqueles que me deram suporte para continuar e seguir em frente.
Queria fazer uma menção aos meus colegas de mestrado, Isa, Renan e Tharles e aos nossos almoços que serviam para distrair deixar o dia mais leve.
Aos meus amigos do Movimento Escoteiro, minha segunda família, que me fizeram companhia e com quem aprendi muito, meus apfs Gim e Silvia, meus amigos do GE São Mário, Patrícia, Larissa, Midi, Edison, meus amigos do Abaeté, Leo (Bodão), Pedro, Zabin, Fernando, Kim, a equipe maravilhosa do ramo escoteiro: Bibi, Dri e Feju, e pessoas que me ensinaram muito como o Robson, Aya e a Lisa e meus amigos de outros estados Jackson e Mauri e muitos outros que se fosse listar aqui ocupariam páginas.
Em especial ao João Augusto Corrêa, que merece um parágrafo só para ele, pelo suporte que ele me deu todo esse tempo e me aguentou nos momentos mais difíceis.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
RESUMO
Ligas de alumínio da série 2xxx, em especial a Al2024, devido a elevada resistência especifica são amplamente utilizadas na fabricação de componentes da indústria aeronáutica, além das ligas de alumínio há um crescente uso de compósitos de matriz de alumínio (CMA) utilizando partículas cerâmicas como reforço com a ideia de melhorar as propriedades mecânicas do material, como a dureza e a resistência ao desgaste. Porém os meios convencionais de produção destes CMAs consomem uma elevada quantidade de energia e promove deformação do material por produzir um compósito em toda a região, neste sentido, surge como alternativa para estes métodos o friction stir process (FSP) em que por meio do processamento superficial por atrito pode ser utilizado com o propósito de fabricar um CMA de forma localizada na região processada. Este trabalho tem como objetivo avaliar a fabricação de CMA por FSP utilizando como matriz chapas de Al2024 e reforço de partículas cerâmicas obtidas do reaproveitamento da casca de fundição por cera perdida, para isto foram avaliadas diferentes formas de inclusão das partículas cerâmicas utilizando uma ferramenta não consumível. A caracterização da amostra foi realizada por meio de ensaio visual, difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e as propriedades mecânicas foram avaliados por microdureza vickers e nanotribologia. Como resultado obtido, a incorporação utilizando canaleta obteve uma maior homogeneidade na região de mistura e microdureza acima do metal base resultando em uma redução no coeficiente de atrito, mostrando que a o processamento nestas condições pode ser viável dadas as melhorias nas propriedades do material.
Palavras-chave: Ligas de alumínio; Compósitos de Matriz de Alumínio; Friction Stir Processing; Al2024; Processamento superficial.
ABSTRACT
Aluminium alloys of the 2xxx series, especially the 2024 alloy, are widely used in the manufacture of components in the aeronautical and automotive industry due to their high specific mechanical strength. Superior results of hardness and wear resistance can also be obtained with the use of surface aluminium matrix composites (AMC) that involves the dispersion of a second phase through the addition of ceramic particles as reinforcement on the material surface, without causing, however, significant loss of the matrix properties of the material due to its high toughness. In this context, Friction Stir Processing (FSP) appears as a modern and attractive processing technique (solid state) in the production of surface aluminium matrix composites for promoting the surface alteration of the microstructure in aluminium plates and boards. This work aims to evaluate the manufacture of AMCs by FSP using the 2024 aluminium alloy sheets containing reinforcement of ceramic particles obtained from the reuse of the shell cast used in the lost wax casting process. Different ways of including ceramic particles were evaluated using a non-consumable tool. After visual inspection of the integrity of the processed surface layer, the characterization of the samples was carried out by means of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and the mechanical properties (hardness and wear) were evaluated by Vickers microhardness and Tribology. The SEM images indicate that the incorporation using a channel obtained greater homogeneity in the mixing region and the mechanical tests of this form of incorporation resulted in microhardness above the base metal resulting in a reduction in the friction coefficient, showing that processing under these conditions can be feasible given the improvements in material properties.
Keywords: Aluminium alloys; Aluminium Matrix Composites; Friction Stir
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 9 2 OBJETIVOS ... 13 2.1 Objetivos Gerais ...13 2.2 Objetivos Específicos ...13 3 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 153.1 Alumínio e Suas Ligas...15
3.1.1 Ligas de Alumínio da série 2xxx ... 18
3.2 Compósitos de matriz metálica (CMM) e de Matriz de Alumínio (CMA) ...23
3.3 Friction Stir Process ...26
3.4 Adição de partículas para a produção de CMM por FSP ...33
4 METODOLOGIA ... 36
4.1 Materiais e Métodos ...36
4.2 Incorporação dos Pós Cerâmicos ...39
4.2.1 Deposição dos pós ... 39
4.3 Caracterização das Amostras ...42
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 45
5.1 Processamento das amostras ...45
5.2 Caracterização das Amostras ...48
5.3 Microdureza ...53
5.4 MEV e EDS ...57
5.5 Ensaio Tribológico ...71
1 INTRODUÇÃO
A intensa competitividade da indústria atual faz com que a busca de novos materiais e processos sejam desenvolvidos para reduzir custos e obter vantagens no mercado, principalmente em segmentos específicos como o aeronáutico, naval e automobilístico. Neste contexto, o desenvolvimento de materiais com elevada relação resistência-densidade e estabilidade físico-química podem contribuir para uma melhor eficiência energética reduzindo a emissão de gases poluentes na atmosfera.
Neste cenário, as ligas de Alumínio se sobressaem como alternativa para a indústria pela sua versatilidade, possibilitando uma gama extensa de aplicações, sendo bastante utilizada como em componentes estruturais na indústria. Dentre as principais características do Alumínio quando comparado a outras ligas comerciais podemos destacar, por exemplo: o baixo peso específico e baixo ponto de fusão, elevada resistência à corrosão, boa condutividade termoelétrica e facilidade de processamento mecânico, quanto ao uso, o fato de ser atóxica e de fácil reciclagem desperta muita atenção (ASKELAND e WRIGHT, 2015; KVAČKAJ e BIDULSKÝ, 2011).
Avanços superiores em termos de propriedades mecânicas e de corrosão podem ser alcançados através do uso de materiais compósitos. Durante os últimos anos, tem se observado o grande interesse de certos segmentos industriais por materiais compósitos para a aplicação em fabricação de estruturas primárias e secundárias. Um material compósito é formado a partir da combinação de dois ou mais tipos de materiais com propriedades físicas e químicas distintas, e a combinação sinérgica entre esses materiais resulta em propriedades superiores quando comparados aos seus materiais de forma individual. Um compósito é comumente formado por uma fase primária chamada de matriz, presente em maior quantidade e uma fase de reforço, em menor quantidade (DE MOURA ET AL., 2010; SHACKELFORD, 2008).
Dentre os diversos tipos de compósitos, os compósitos de matriz metálica (CMMs), são os que apresentam elevada resistência mecânica e rigidez, baixa densidade, elevada resistência à fadiga e à corrosão, sendo que os métodos de fabricação para a obtenção do CMM ainda não foram totalmente explorados (ARUN PREMNATH et al., 2018). Os tipos mais comuns de CMMs são aqueles reforçados
com fibras ou partículas cerâmicas, como silicatos, carbetos e grafite que são os responsáveis por aumentar a resistência ao desgaste e por permitir o uso em temperaturas mais elevadas.
Compósitos de matriz de Alumínio (CMA) reforçados com partículas cerâmicas, apresentam, quando comparados às matrizes, módulo de elasticidade maior, maior resistência a tração, além de melhor desempenho em fadiga e fluência e ao desgaste, contudo, apresenta redução na ductilidade e tenacidade, situação característica em materiais cerâmicos. Por este motivo, é comum o uso desses compósitos na camada superficial de um componente ou estrutura, promovendo desta forma melhorias significativas na resistência ao desgaste sem reduzir a tenacidade da estrutura (MISHRA et al., 2003).
Há diversas rotas de processamento para a obtenção dos CMAs, como fundição e metalurgia do pó, porém, estes processos além de possuírem custo elevado e envolver grande quantidade de energia, fornecem compósitos em todo o volume disponível. Uma alternativa que pode ser utilizada para a fabricação de forma localizada e superficial de CMAs, é o processamento por fricção, conhecido pelo nome em inglês, Friction Stir Processing (FSP) (DINAHARAN et al., 2017).
O FSP deriva do processo de Friction Stir Welding (FSW), desenvolvido em 1991 pelo The Welding Institute (TWI) como uma solução alternativa à união de ligas de Al que apresentavam baixa soldabilidade. O FSP é uma técnica de processamento no estado sólido que pode ser usada para unir materiais e/ou promover modificação superficial resultando em melhor resistência ao desgaste e propriedades tribológicas superiores, seja pelo simples processamento ou ainda pela adição de reforços por meio do FSP (MALYSHEV, 2014).
Durante o FSP, a temperatura da região processada fica em até 80% da temperatura de fusão do material e ele é exposto a uma deformação plástica severa a esta temperatura de maneira localizada. O processo é realizado através da passagem de uma ferramenta rotativa através do material em um caminho desejado. O FSP é considerado uma técnica muito promissora para a fabricação de compósitos superficiais, pois, pode melhorar as propriedades da superfície, tais como resistência à abrasão, dureza, resistência, ductilidade, resistência à corrosão e fadiga, sem afetar, contudo, as propriedades do material. Inicialmente, o FSP foi usado para a fabricação de compósitos superficiais em ligas com matriz de Alumínio e Magnésio. Recentemente, compósitos superficiais incluindo ligas à base de aço e
titânio também foram processados por FSP. (CHAUDHARY et al. 2018; SAINI et al. 2015).
No tocante a produção de compósitos superficiais envolvendo matriz de Alumínio, a alteração da microestrutura se dá por meio do refino de grão localizado do material podendo envolver ainda a incorporação de partículas de reforço que poderá ocorrer de duas formas distintas, com o emprego de uma ferramenta não consumível ou consumível, como ilustrado na Figura 1.
Figura 1:Processamento por FSP do material com duas formas de incorporação de partículas: a)
ferramenta não consumível; b) ferramenta consumível.
Fonte: Adaptado de Padhy et al. (2018)
A Figura 1a apresenta a ferramenta não consumível. Neste caso há duas formas de adicionar as partículas de reforço: i) por meio de uma fenda ou ii) por furos na região de processamento; que são posteriormente preenchidos pelas partículas de reforço. Com a passagem da ferramenta, essas partículas são incorporadas/misturadas a matriz formando o compósito. Já a Figura 1b apresenta o método de incorporação das partículas por meio da haste rotativa e com o processamento há a deposição seletiva (consumo) do material da ferramenta formando o CMA (SUDHAKAR et al., 2018).
Este trabalho propõe a fabricação e a caracterização de CMAs da liga de Alumínio 2024-T6 com a incorporação de partículas cerâmicas de reforço através do processo de FSP. Diferente da literatura que utiliza partículas cerâmicas comerciais para a fabricação de CMAs por FSP, as partículas utilizadas foram obtidas da reciclagem da casca de fundição, uma mistura rica em alumina e silicatos, advinda
do processo de fundição por cera perdida, com o intuito de encontrar a melhor forma de incorporação das partículas à matriz de Alumínio. O uso destas partículas cerâmicas pode representar uma vantagem para a indústria, uma vez que se apresenta uma nova alternativa de utilização deste resíduo industrial, reduzindo, desta forma, os custos envolvidos no descarte. A aplicação do compósito obtido com a incorporação de partículas cerâmicas, pode se apresentar como uma alternativa para a parte estrutural de aviões, substituindo as estruturas de aço que são mais densas e com isso aumenta o peso e o consumo de combustível das aeronaves ou até mesmo a substituição do titânio que apresenta custo elevado.
Inicialmente, buscou-se elaborar a otimização dos parâmetros de processamento avaliando a formação de compósitos de boa qualidade e integridade mecânica com a combinação dos seguintes parâmetros: sentido de rotação e número de passes e geometria da ferramenta; em seguida busca-se avaliar o impacto nas propriedades mecânicas e tribológicas do material através da formação de compósitos superficiais.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos Gerais
O trabalho tem como objetivo principal a produção e a caracterização de compósitos superficiais de matriz de Alumínio contendo reforço de partículas cerâmicas (casca de fundição) fabricados por FSP. O uso das cascas cerâmicas como reforço na fabricação de compósitos, oferece uma vantagem de oferecer uma outra forma de destinação deste resíduo de fundição, transformando o refugo em matéria-prima.
A liga de Alumínio da série 2024-T6 amplamente usada na indústria aeroespacial será o foco da investigação. O trabalho está focado no estudo das diferentes formas de inclusão e disposição das partículas cerâmicas à matriz de Alumínio por meio de ferramentas não consumíveis.
Espera-se obter compósitos superficiais com melhores propriedades mecânicas com a incorporação localizada de partículas cerâmicas comparadas com a matriz, mantendo fixos os parâmetros de processamento, como o número de passes e sentido da rotação, alterando a forma de incorporação das partículas cerâmicas.
2.2 Objetivos Específicos
Para atingir os objetivos gerais deste trabalho, os seguintes objetivos específicos são apresentados:
I. Propor uma nova destinação para o refugo cerâmico do molde utilizado no processo de fundição por cera perdida;
II. Fabricação de compósitos superficiais de matriz de Alumínio contendo partículas de uma mistura obtida da reciclagem da casca de fundição em diferentes formas de inclusão;
III. Avaliação da microestrutura e da dispersão do reforço particulado cerâmico na matriz de Alumínio através das técnicas de difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura (MEV);
IV. Avaliação das propriedades mecânicas e tribológicas dos compósitos
superficiais obtidos por FSP através de ensaios de dureza e desgaste;
V. Avaliar a viabilidade da fabricação de compósitos de matriz de Alumínio contendo reforços de pós cerâmicos quanto a sua homogeneidade e isotropia das propriedades estudadas;
3 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
3.1 Alumínio e Suas Ligas
Atualmente há uma grande variedade de materiais e ligas disponíveis no mercado, e com o constante desenvolvimento de novos produtos, a escolha de um material para determinada aplicação deve levar em conta fatores como, o custo, propriedades exigidas e características de manufatura, bem como, as suas vantagens e limitações de uso (ASHBY et al., 2014)
Diante deste contexto, o Alumínio e suas ligas possuem uma combinação excepcional de propriedades que as tornam muito atraentes e versáteis, possibilitando uma ampla gama de aplicações, além de ser considerado um material economicamente viável, na Tabela 1 são apresentadas as principais propriedades do Alumínio comercialmente puro.
Tabela 1: Visão geral das propriedades típicas do Alumínio comercialmente puro
Propriedade Valor no SI
Densidade 2,7 g/cm3
Dureza (Brinell) 12 – 55 HB
Dureza (Vickes, Al1100) 31 HV
Limite de resistência a tração 205 Mpa
Limite de escoamento 165 Mpa
Módulo de elasticidade 69 GPa
Temperatura de recozimento 343ºC
Ponto de fusão 660ºC
Fonte: Matweb (2019)
O Alumínio é considerado comercialmente puro quando possui no mínimo 99% de Alumínio na sua composição. Quando se analisa os diversos tipos de Alumínio disponíveis no mercado, o Alumínio primário apresenta uma pureza de 99,8%, sendo a complementação com 0,1% de silício e 0,1% de ferro, conforme os manuais dos fabricantes.
Grande parte dos elementos metálicos formam ligas com o Alumínio, mas do ponto de vista comercial, apenas alguns destes elementos são interessantes. A inclusão seletiva destes elementos tem a finalidade de melhorar uma determinada propriedade para o uso da liga, sendo incluído um ou mais elementos de acordo com a necessidade. Os principais elementos de liga comumente encontrado nas ligas de Alumínio são: Cobre (Cu), Magnésio (Mg), Silício (Si) e Zinco (Zn) (HATCH, 1984).
Das características principais das ligas de Alumínio cabe destacar, a sua elevada resistência mecânica específica (resistência mecânica em relação à densidade) o que permite a sua utilização em estruturas de grande porte e a formação de óxido superficial que o protege de oxidações mais severas (EUROPEAN ALUMINIUM ASSOCIATION, 2019).
Askeland e Wright (2015) apontam ainda como vantagens das ligas de alumínio a facilidade de processá-las mecanicamente, a não presença da transição dúctil-frágil em baixas temperaturas, além de ser um material atóxico e com alta reciclabilidade. Os mesmos autores descrevem ainda outras propriedades de grande interesse das ligas de Alumínio, como o comportamento não ferromagnético; entretanto, em altas temperaturas o Alumínio não apresenta bom desempenho por possuir um baixo ponto de fusão e uma baixa resistência à fadiga, o que facilita o surgimento de trincas no material mesmo em condições de baixa pressão mecânica.
Segundo Unterweiser et al. (2001) as ligas de Alumínio são comumente classificadas em dois grandes grupos: i) as ligas extrudadas, que se refere as ligas que passaram por alguma etapa de deformação plástica por conformação mecânica; ii) as ligas obtidas por fundição, neste grupo, as ligas ainda são subdivididas entre as tratáveis ou não tratáveis termicamente e são classificadas em 8 séries de acordo com os elementos de liga presentes na composição.
A Tabela 2 a seguir mostra as diversas séries existentes de ligas de Alumínio conforme a composição do elemento principal de liga e das etapas de tratamento térmico empregado. Há ainda uma nona série ainda sem uso, que é reservada para novas ligas que venham a ser desenvolvidas.
O número de série de uma liga de Alumínio pode vir, ainda, acompanhada de um sufixo indicando o tratamento associado, sendo F (como fabricado), W (solubilizada), O (recozida), H (encruada) ou T (tratada termicamente), estas duas
últimas são acompanhadas de números que indicam o grau de endurecimento ou método empregado.
Tabela 2: Séries das ligas de Alumínio
Série Composição da liga Tratamento
1xxx Alumínio comercialmente puro (99% Al) Frio
2xxx Cobre Quente
3xxx Manganês Quente
4xxx Silício Frio (algumas a quente)
5xxx Magnésio Frio
6xxx Magnésio + Silício Quente
7xxx Zinco Quente
8xxx Outros elementos como estanho, lítio, ferro... Quente
9xxx Reservada para novas ligas Não se aplica
Fonte: autoria própria
Davis (2001) descreve em detalhes cada uma das séries. A série 1xxx é de Alumínio não ligado, ou seja, próximas ao estado mais puro do Al, bastante utilizado na indústria química e eletroeletrônica, já a série 2xxx tem como principal elemento de liga o Cobre (Cu) podendo conter ainda outros elementos ligados como o Mg, e o principal uso destas ligas é na indústria aeronáutica. A série 3xxx são as ligas com Manganês na composição geralmente não tratáveis e possuem em média resistência mecânica 20% superior as da série 1xxx. Já na série 4xxx o elemento principal de liga é o Silício e a principal aplicação está no uso de hastes de solda e folhas de brasagem.
A série 5xxx tem como elemento principal o Magnésio e é utilizada para fins marítimos, na série 6xxx a aplicação principal é na indústria automotiva e os elementos de liga são Mg e Si. A série 7xxx tem o Zinco como principal elemento, embora outros elementos possam estar presentes, é utilizado nas estruturas de aviões por ser a liga com maior resistência mecânica específica (> 500Mpa).
As ligas de Alumínio da série 8xxx são ligas com composições diversas e podem conter Estanho, Lítio, Ferro ou outros elementos. Dado o grande espectro de ligas de Al apresentadas nesta seção, neste trabalho daremos um maior enfoque as
ligas de Alumínio da série 2xxx que é o objeto principal de investigação neste trabalho.
As ligas de alumínio vêm sendo usadas para componentes estruturais de aeronaves desde 1930 devido à boa relação resistência/peso (resistência específica) associada. Entre as ligas escolhidas, temos as ligas que apresentam a formação de duralumínios (série 2xxx), que serão tratados no próximo tópico. Tais ligas exibiram grande crescimento no uso a partir de 1927, chegando a 80% das estrutura dos aviões, com o desenvolvimento pela Alcoa das ligas revestidas com alumínio puro, denominadas de Alcad, que apresentam excelente resistência à corrosão (STARKE e STALEY, 2010).
3.1.1 Ligas de Alumínio da série 2xxx
A liga da série 2XXX está inserida na classificação das ligas Al-Cu-Mg, cujo principal motivo de se adicionar Cobre e Magnésio a essa liga de Alumínio é o de promover o aumento da sua resistência. No entanto, o Cobre é considerado como o principal elemento endurecedor da liga através da formação de precipitados do tipo Al2Cu finamente dispersos e coerentes com a matriz que resultam no aumento de resistência da liga.
No segmento aeronáutico, onde há maior demanda por estruturas que exigem alta relação resistência-peso, a liga da série 2XXX pode ser empregada em grande parte da fuselagem, rodas e asas de aviões, e até mesmo em situações que exigem boa resistência mecânica envolvendo temperaturas até 300ºC. Entretanto, esta liga apresenta baixa soldabilidade e a fixação e montagem de estruturas de chapas ocorre através do processo de fixação mecânica (rebitagem) (BRINGAS, 1993).
Kaufman (2000) e Davis (2001), afirmam que a presença do cobre, que na maioria das ligas comerciais apresenta concentrações entre 1 a 10% em peso, confere à liga após tratamento térmico uma elevada resistência mecânica se aproximando, em alguns casos as propriedades mecânicas de aços de baixo carbono. Outra vantagem dessa série é o fato delas sofrerem envelhecimento natural em temperatura ambiente. A principal desvantagem desta liga está na menor resistência a corrosão, quando comparada a outras ligas a base de Alumínio, e em algumas condições, pode sofrer oxidação intragranular. A Figura 2 a seguir apresenta o espectro de propriedades e campo de aplicação das ligas da série
2XXX.
Dentre as ligas da série 2xxx, a liga Al2024 é uma das que apresentam maior resistência mecânica da sua série e por este motivo amplamente utilizada no setor aeronáutico. Essa liga é derivada dos “duralumínios” e tem versões para outros usos, como por exemplo a 2025, sua versão forjável ou a 2020, que é adicionado lítio para reduzir a densidade.
Figura 2: Espectro de propriedades e campo de aplicação das ligas mais comuns da série 2xxx (Al-Cu-Mg)
Em sua composição, a liga 2024, apresenta além do cobre, elemento primário da série 2xxx, magnésio, manganês e outros elementos em menor concentração, e pode ser fabricada por laminação a quente ou extrusão.
A característica de resistência mecânica relativamente elevada da 2024 pode ser associada ao endurecimento das fases precipitadas de intermetálicos do tipo CuAl2, e Al2CuMg, denominada de fase S, que se encontram dispersas na matriz de
alumínio e dispersóides como Al6(Cu,Fe,Mn), Al7Cu2Fe e (Al,Cu)6Mn pela inclusão
de outros elementos, que quando endurecida, sua resistência mecânica pode superar a de aços de médio carbono estruturais (COUTO et al., 2012; SISKOU et al., 2018).
Cavalcante e Silva (2016) afirmam que o principal motivo da inclusão de cobre na liga está ligado diretamente com o aumento da resistência mecânica, através da formação de precipitados de aglomerados de átomos de soluto na matriz, isto leva ao crescimento continuo na dureza que é proporcional pelo aumento do teor de cobre na liga.
As propriedades de elevada tenacidade e resistência à formação de trincas por fadiga, em ligas dentro da composição química da 2024, quando comparada com outras, se mostra efetiva para o setor aeronáutico por permitir a fabricação de chapas maiores (3,2 x 12,7 m) reduzindo a necessidade de junções na estrutura de aeronaves (HEINZ et al., 2000). Por este motivo, a liga 2024, em especial a 2024-T3 é bastante utilizada para a construção da fuselagem dos aviões e a partir da redução de impurezas como o Fe e o Si, promovem um incremento na tenacidade e resistência a trincas (DURSUN E SOUTIS, 2014).
O tamanho e formato dos grãos da liga 2024 estão vinculados com o processamento realizado, assim como a recristalização, na maioria dos processos os dispersóides estão estratificados em vez de dispersos homogeneamente, com a redução da temperatura a energia armazenada pela deformação aumenta, isto promove mais discordâncias e subgrãos menores. A presença dos intermetálicos também influencia na recristalização da liga, partículas maiores que 3 µm acumulam mais energia na interface matriz-partícula que estimulam a nucleação durante a recristalização quando realizado um tratamento térmico (STARKE E STALEY, 2010). A liga 2024 pode sofrer grande variação das suas propriedades após tratamento térmico, como por exemplo, o tratamento térmico T6 representado na
Figura 3. O tratamento térmico T6 (utilizado na liga foco deste estudo) é aplicado em ligas não ferrosas, a liga leve, como o alumínio, Cobre ou Silício e promove melhorias nas propriedades mecânicas do material, em especial a dureza que aumenta de forma significativa.
Figura 3: Curva de temperatura do tratamento térmico T6 para a liga 2024
Fonte: Adaptado de Magno et al. (2017)
Este tratamento térmico especifico é composto de três estágios, o primeiro é a solubilização, na qual a liga é aquecida a uma temperatura entre 490ºC e 515ºC por no mínimo 5 horas dentro do campo monofásico, e tem por finalidade dissolver o intermetálico Al2Cu na matriz (Al-α). Após esta etapa o material é resfriado
rapidamente em água quente (60ºC), estágio denominado de têmpera, obtendo uma solução sólida supersaturada. O último estágio é chamado de envelhecimento artificial ou precipitação, onde a liga é submetida a uma temperatura de 190ºC por no mínimo 2h (KIM et al., 2008; MAGNO et al., 2017), com a finalidade de promover a precipitação controlada das fases intermetálicas de maneira uniforme na matriz do material.
Na tabela 3, são apresentadas as propriedades da liga Al2024-T6, que também pode ser encontrada com a denominação ISO AlCu4Mg1-T6, utilizada nesta pesquisa.
Tabela 3: Propriedades da liga 2024-T6 Propriedade Física Densidade 2,78 g/mm3 Ponto de fusão 638ºC Propriedades Mecânicas Dureza (Brinell) 125 Microdureza (Vickers) 142
Tensão de escoamento 345Mpa
Limite de resistência a tração 425Mpa
Modulo de elasticidade 72,4GPa
Propriedades de Processamento
Temperatura de recozimento 413ºC
Temperatura de solubilização 493ºC
Temperatura de envelhecimento 191ºC
Fonte: Aluminum Association (2000)
Comparando as propriedades descritas na Tabelas 1 e 3, é possível observar que as propriedades da liga 2024-T6 se diferencia do Alumínio comercialmente puro, obtendo algumas melhorias das propriedades, como por exemplo as propriedades mecânicas, como dureza e elasticidade, que são melhoradas, porém a densidade tem um incremento, o que pode ser prejudicial para algumas aplicações.
A presença do cobre como elemento de liga, embora ofereçam vantagens nas propriedades mecânicas em relação à densidade, conforme exposto anteriormente, por outro lado impactam aumentando a oxidação localizada da liga, principalmente nos contornos dos grãos por meio das partículas intermetálicas formadas, desta forma são necessários tratamentos superficiais para reduzir a extensão da oxidação, sendo os mais comuns a pintura ou a cromação (ALBA-GALVÍN et al., 2019).
Quanto as características microestruturais, os tamanhos dos grãos possuem uma variedade de tamanhos, esta variação se dá pela forma de processamento realizada e isto reflete em algumas características.
Grãos policristalinos da liga de Al 2024 com dimensão de 90 µm apresentam uma menor tensão saturada e um platô mais alongado quando comparados aos grãos com 150 µm (MOHAMED ET AL., 2004) em outro estudo o tamanho de grão observado foi de 5 µm, após processamento por laminação criogênica, apresentando elevada resistência mecânica (CHENG ET AL., 2007). Já Alhamidi e Horita (2015) chegaram a grãos com dimensão de 240 nm processando a liga por torção com alta pressão.
Desta forma, o tamanho dos grãos na estrutura impacta nas propriedades do material, grãos menores promovem uma maior resistência mecânica, já grãos maiores estão relacionados a materiais com menor dureza.
3.2 Compósitos de matriz metálica (CMM) e de Matriz de Alumínio (CMA)
Os materiais compósitos são constituídos de combinações de pelo menos dois tipos de materiais (metais, cerâmicas ou polímeros) e são classificados a partir da fase de maior concentração, chamada de matriz, e uma fase secundária, de menor proporção, denominada por fase dispersa ou reforço.
Como exemplos de compósitos podemos citar o concreto, aços perlíticos, madeira e ossos (SMITH e HASHEMI, 2012). Além de serem classificados pela matriz, os compósitos podem ser classificados pelo tipo de reforço, conforme demonstra a Figura 4.
Figura 4: Classificação dos compósitos pelo tipo de fase dispersa
Fonte: Callister (2012)
O uso de ligas ou compósitos é uma forma eficiente de atender as necessidades de um determinado projeto, pois, estes materiais possuem em sua composição a combinação sinérgica de dois ou mais elementos o que resulta em
propriedades superiores quando comparado aos materiais obtidos individualmente. Desta forma, compósitos apresentam um espectro amplo de propriedades de interesse na engenharia moderna.
A crescente demanda por materiais com maior relação resistência/peso, maior módulo de elasticidade específico (E/p, p=peso específico), levou a estudos que resultaram nos materiais compósitos. Estes materiais tiveram a origem de seu desenvolvimento ligada a indústria aeronáutica e aeroespacial que buscava, e ainda busca, materiais cada vez mais leves e mais resistentes em várias condições de trabalho onde são exigidas ótimas propriedades mecânicas a altas temperaturas, muitas vezes aliadas à resistência à corrosão, tenacidade e outros parâmetros.
Dentre os materiais compósitos, existe ainda uma subclassificação entre compósito de matriz polimérica (CMP) cuja fase principal é constituída de resina polimérica com reforços; compósitos de matriz cerâmica (CMC) em que a matriz cerâmica é adicionada materiais particulados, fibras ou whiskers com o intuito de aumentar a tenacidade a fratura do material e por fim, os compósitos de matriz metálica (CMM), cuja matriz é um metal dúctil e podem ser utilizados em temperatura de serviço acima dos metais bases em função do reforço inserido (CALLISTER, 2012).
Uma forma que vem sendo utilizada pelas indústrias naval, aeronáutica e automobilística para obter melhores propriedades mecânicas em um material é a fabricação e emprego de CMMs, contendo reforços adicionados em regiões que demandam propriedades específicas. Segundo Campbell (2008), os CMMs apresentam melhor desempenho em aplicações envolvendo altas temperaturas quando comparada ao metal base e podem apresentar melhor condutividade térmica, resistência à abrasão e maior resistência a propagação de trincas, além de maior estabilidade dimensional e maior resistência mecânica e dureza.
Devido a principal aplicação ser estrutural e assim se buscar estruturas mais leves e mais resistentes, os metais que tem sido mais utilizado como matrizes são aqueles que apresentam baixas densidades, dentre outras características, tais como ligas de Alumínio, Titânio, Níquel, Magnésio, Cromo e Molibdênio.
Para Sujith et al. (2019), um CMM consiste em ligas metálicas com uma segunda fase não metálica em seu interior, sendo a fase principal formada por uma liga metálica, como o Alumínio, Titânio, Cobre e Níquel, contendo reforços diversos, em geral, materiais cerâmicos, na forma de fibras (SiC, Al2O3, grafite),
wiskers e fases particuladas (SiC, Al2O3, TiC, B4C, TiB2). A inclusão de partículas
cerâmicas promove considerável melhoria na resistência ao desgaste e nas propriedades mecânicas, térmicas, físicas e elétricas.
Além dos materiais cerâmicos, outros materiais podem servir de reforço em um CMM, como metais refratários e alguns intermetálicos, seguindo sempre a ideia do reforço ser mais duro, rígido e resistente que a matriz (FOGAGNOLO, 2000).
Dentre os CMMs, podemos destacar os compósitos de matriz de Alumínio, que comparados com as ligas comercialmente puras de Alumínio apresentam propriedades mecânicas superiores, sendo utilizado para aplicações estruturais em diversos setores da engenharia e considerado um material chave para a indústria dos transportes, em especial a aeroespacial, por promover menos consumo de combustível e menor emissão de poluentes (SURAPPA, 2003).
CMAs podem ser obtidos através da metalurgia do pó, fundição convencional, síntese por micro-ondas ou através de processos mecânicos como a moagem de alta energia, compactação e extrusão, porém estes processos demandam de muita energia e necessitam de equipamentos caros e podem resultar em baixa interação entre a matriz e o reforço de compósito, podendo ainda inferir em deformações durante processamento, contaminação da superfície e incompatibilidade com a estrutura cristalina (AZIZIEH et al., 2019).
Um dos primeiros estudos de CMAs com a liga 2024 como matriz e reforço de Alumina foi realizado por Hosking et al. (1982), os autores obtiveram um compósito fabricado por fundição alterando o tamanho das partículas cerâmicas e a concentração, como resultado obtiveram que, embora o limite de escoamento e o limite de resistência a tração tenham demonstrado desempenho inferior à matriz, as características tribológicas apresentaram melhoria com a diminuição do tamanho da partícula e o aumento da fração volumétrica de Al2O3, ocasionando uma redução na
taxa de desgaste, ou seja, o compósito apresentou um menor coeficiente de atrito. Bhaskar e Sharief (2012) estudaram compósitos da liga 2024-T6 como matriz e adicionaram um composto chamado de Beryl, uma mistura de Berílio, Alumina e Silicato (Be3Al2(SiO3)6), por metalurgia líquida. Dentre os resultados obtidos, foi
possível observar um aumento na microdureza, de 80 para 100 HV com o aumento da concentração de Beryl de 0 a 10% em massa, assim como a taxa de desgaste que para as mesmas concentrações de reforço teve um decréscimo de
para aproximadamente para uma carga de 40N, e o coeficiente de atrito sofreu ainda uma redução de 0,4 para 0,3 para a mesma carga.
Boopathi et al. (2013), realizaram um estudo comparando CMAs com reforço de SiC, cinzas volantes (CV) e um compósito hibrido com esses dois tipos de reforço, em diferentes concentrações, em uma matriz da liga Al2024. Como resultado, observou-se que houve uma melhoria significativa nas propriedades físicas e mecânicas com o aumento da concentração das partículas, quando comparadas com a liga pura, sendo a melhor condição para o compósito hibrido com 10% de SiC e 10% de CV, na qual o limite de escoamento melhora de 220 MPa para 287 MPa, o limite de resistência a tração de 236 MPa para 293 MPa e a dureza de 79,9 HB para 95,7 HB.
Para Yadav et al. (2018), um CMA pode apresentar resistência mecânica similar ao ferro fundido, porém com uma densidade 67% inferior e condutividade térmica três vezes superior, se mostrando um material com grande aplicabilidade e competitividade em diversos setores industriais.
3.3 Friction Stir Process
O Friction Stir Process (FSP) é um processo de fabricação no estado sólido que deriva da soldagem por atrito e mistura (FSW) e é utilizada para alterar as características do material por meio do atrito causado por um pino rotativo que eleva a temperatura do material, sem atingir a fusão, e promove uma deformação plástica severa na região superficial. Através do FSP, as propriedades do material podem ser melhoradas de forma localizada com a produção de grãos mais finos apresentando, assim, propriedades de desgaste e corrosão superiores.
Segundo Ma (2008), o FSP além de alterar a microestrutura na região processada nas ligas de Alumínio e Magnésio, reduz a porosidade localizada quebrando as partículas grosseiras das fases secundárias (intermetálicos) e seus dendritos de fundição, podendo refinar a microestrutura e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais processados.
Este processamento confere à região processada características superficiais diferentes, como maior dureza, resistência a corrosão e ao atrito quando comparado ao material base. A Figura 5 ilustra o processo de FSP.
Figura 5: Visão esquemática do processo de FSP
Fonte: John et al. (2019)
No processo FSP, representado na Figura 5, a ferramenta composta por um pino e um ombro, é inserida na região a ser processada ao mesmo tempo que rotaciona até o ombro encostar na superfície do material. Este contato produz um calor localizado que amacia o material sem fundi-lo e após inserção é iniciado a translação da ferramenta percorrendo a região que se deseja processar. Este processo promove a mistura de material no local por meio de uma deformação plástica severa e é o que fornece as características na região devido a alteração localizada na microestrutura do material (JOHN et al., 2019).
Após o processamento por FSP, é possível observar a formação de regiões contendo diferentes microestruturas, como pode ser observado na imagem obtida por microscopia ótica da Figura 6.
Figura 6: Regiões formadas após FSP
Fonte: Yang et al. (2019)
Na Figura 6, a região em que o pino é inserido e sofre a maior deformação plástica junto da intensa elevação da temperatura é chamada de zona de mistura (ZM), já a região adjacente é chamada de zona termo mecanicamente afetada (ZTMA) que é também exposta aos resquícios da deformação mecânica e ao calor. Afastando-se um pouco desta região, aparece a região chamada de zona termicamente afetada (ZTA) que não apresenta mais o efeito da deformação plástica, porém está exposta aos efeitos da condutividade térmica, e por último, a região chamada de metal base (MB) que não sofre nenhum efeito do FSP (WĘGLOWSKI et al., 2018; YANG et al., 2019).
Entre os parâmetros que influenciam na extensão destas regiões podemos destacar: velocidade de rotação, sentido da rotação, velocidade de avanço, geometria da ferramenta, a penetração da ferramenta que está relacionada com a carga aplicada e a quantidade de passes realizados. O controle e a variação destes parâmetros de processamento poderão levar a modificações significativas na microestrutura do material como pode ser relatado em muitos trabalhos da literatura com foco na influência destes parâmetros, em relação ao material que será processado. A Figura 7 apresenta as principais variáveis de processamento envolvidas no FSP.
Em um trabalho de revisão, Padhy et al. (2018), estudaram a influência dos parâmetros de processamento por FSP na microestrutura do material, dentre os resultados obtidos, os autores apontam que o aumento da velocidade de rotação eleva a taxa de calor absorvido pela zona processada (zona de mistura), promovendo crescimento do grão e redução na dureza. Por outro lado, o aumento na velocidade de avanço tem resultados opostos, desta forma, é necessário um controle destes parâmetros para otimizar o processo.
MB ZTA MB A ZTA A ZTMA A ZTMA A ZM
Abrahams et al. (2019), estudaram a influência dos parâmetros de processamento de FSP nas ligas de Alumínio 5005-H34 e 7075-T651 nas propriedades mecânicas e microestrutura. Os parâmetros estudados foram: design de ferramenta, velocidade de avanço e velocidade de rotação. Observou-se a presença de uma microestrutura refinada totalmente recristalizada e livre de defeitos na zona processada em função da variação da geometria da ferramenta. Dentre as ferramentas utilizadas, a ferramenta de pino cônico rosqueada apresentou os melhores resultados em ambas as ligas, sendo que para uma velocidade de rotação de 490 rpm resultou na formação de pequenos defeitos na zona de mistura, porém com o aumento para 970 e 1200 rpm a zona processada se mostrou isenta de defeitos. Além disso, observou-se ainda que o aumento da velocidade de avanço leva uma redução significativa de regiões com precipitados na região do contorno de grão, promovendo desta forma, incrementos positivos nas propriedades mecânicas e microdureza.
Figura 7: Classificação das variáveis de processamento envolvidas no processo de FSP
Em um outro estudo sobre a influência dos parâmetros de processamento e as propriedades do material processado por FSP, Zhao et al. (2019) analisaram as propriedades mecânicas e a microestrutura de chapas de Al da série 6063 após o FSP. Para tanto, os autores fixaram a velocidade de avanço em 50 mm/min e alteraram a velocidade rotação da ferramenta. Foi observado que com o aumento da velocidade de rotação de 300 até 700 rpm, há um aumento do tamanho de grão na região processada sendo que acima desta velocidade, o tamanho de grão estabiliza e inicia uma leve redução com o aumento da velocidade de rotação, pelo fato do gradiente de temperatura também se estabilizar. Este fenômeno pode ser ilustrado pela Figura 8, extraída do trabalho dos autores, no qual a zona 1 é a superfície da região de mistura e a zona 2 é a raiz da zona de mistura.
Figura 8: Relação entre a velocidade de rotação e o tamanho de grão nas diferentes regiões da zona de mistura da liga de Alumínio da série 6063. (Zona 1: refere-se a região da superfície da
zona de mistura; Zona 2: é a raiz da zona de mistura.)
Fonte: Zhao et al. (2019)
A geometria/formato da ferramenta também pode influenciar no resultado obtido pelo FSP. Sharma et al. (2015) em seu trabalho de revisão em diversas ligas de alumínio demonstra o efeito da diferentes geometrias do pino da ferramenta na
Ta m a n h o d o Grão Velocidade de rotação (RPM) Zona (2) Zona (1)
fabricação de CMM através do processo de FSP. Diferentes geometrias de pino foram estudadas tais como: pinos cônicos, prismas de base triangular e quadrados, cilíndricos e ausentes (pin-less), sendo que cada geometria apresentou um resultado de refinamento de grão distinto para cada material diferente, sendo observado a presença de grãos nanocristalinos em vários compósitos fabricados pelas diversas geometrias de ferramenta na superfície de FSP. Os autores apresentam ainda possíveis defeitos que podem aparecer no FSP, como: buracos de minhoca, colapso da raiz, solda fria, caldeamento e descamações, descrevendo-os e apresentando possíveis causas como a elevada velocidade de avanço para a velocidade de rotação e aporte térmico excessivo.
Surekha et al. (2008), analisando o processamento por FSP de chapas da liga Al 2219-T87, avaliaram o impacto do aumento no número de passes na microestrutura da região de mistura, utilizando velocidades de rotação de 800 rpm, 1200 rpm e 1600 rpm, e velocidades de avanço de 0,37mm/s e 0,76mm/s. Os autores observaram que para todas as combinações de velocidade de avanço e rotação, com o aumento do número de passes, os grãos da fase Al-α se mostraram mais refinados com a redução e dissipação das fases eutéticas e dos precipitados de reforço de CuAl2, e esta alteração implicou em propriedades superiores da região
processada, como a resistência à corrosão. Para esta constatação os autores utilizaram testes de imersão e salt spray. Ademais, os resultados do DRX (difração de raios-X) e do DSC (calorimetria exploratória diferencial) indicaram uma maior dissolução das partículas de CuAl2 presentes na liga o que provoca o aumento da
resistência à corrosão com o aumento no número de passes.
Em outro estudo, El-Rayes e El-Danaf (2012), avaliaram o impacto do aumento no número de passes e da velocidade de avanço nas propriedades mecânicas de chapas da liga Al 6082-T651 com 6 mm de espessura, para tanto, a velocidade de rotação da ferramenta foi fixada em 850 rpm e as velocidades de avanço foi alterada em 90, 140 e 224 mm/min. Observou-se, que o aumento de um para três passes promoveu maior dissolução e reprecipitação da região de mistura, contribuindo na fragmentação das fases secundárias, β” (Mg2Si) e intermetálicos,
devido ao aumento de ciclos térmicos, sendo que o número de passes é o parâmetro que mais influenciou no tamanho dos grãos. Já com o aumento da velocidade de avanço, há uma redução o tamanho das partículas da fase secundária que promove aumento da dureza e da resistência a tração na região de mistura.
Analisando chapas de 6 mm de espessura de Alumínio da série Al5083 com adição de partículas Alumina (Al2O3), presentes no arame de solda, por TIG,
Kianezhad e Raouf (2019) realizaram o FSP no cordão de solda, com velocidade de rotação de 1400 rpm e velocidade de avanço de 28 mm/min e seis passes, e compararam a região do cordão de solda antes do processamento com a região processada por FSP. Pode-se observar que as amostras processadas por FSP demonstram um aumento da dureza localizada de 80 para 103 HV comparando as amostras com e sem FSP, e um aumento significativo na resistência a tração, além de um maior refinamento dos grãos e melhora nas interações de deslocamentos.
Além das características microestruturais e mecânicas, o processamento por FSP também atua na melhoria das propriedades tribológicas (propriedades de superfície) do material como pode ser visto no trabalho de Mahmoud e Mohamed (2012), ao se realizar o processamento de chapas com 10 mm de espessura da liga A413 (Al-Si próximo da composição eutética) em três diferentes velocidades de rotação, 900, 1120 e 1400 rpm e três velocidades de avanço, 20, 40 e 63 mm/min e ângulo de entrada da ferramenta de 3°. Os autores observaram que nas nove configurações possíveis para o processo de FSP resultou em valores de dureza superiores, atingindo 99 HV, em relação ao material não processado (80 HV), já, no que diz respeito as propriedades tribológicas, os materiais processados por FSP demonstraram uma maior redução da taxa de desgaste, sendo que a configuração de melhor desempenho foi a com velocidade de rotação e avanço de 900rpm e 63mm/min, respectivamente.
Zahmatkesh et al. (2010) também realizaram trabalho semelhante processando por FSP chapas de 4 mm de espessura da liga 2024-T4, que diferencia da T6 pelo envelhecimento ser natural, usando uma fresa adaptada para realizar o FSP tendo como parâmetros de processo 800 rpm para a velocidade de rotação e 25 mm/min para a velocidade de avanço e com o emprego de uma ferramenta com pino em espiral. Dentre os resultados obtidos, pode se observar a presença de grãos equiaxias muito refinados na zona de mistura como resultado da recristalização dinâmica e o difratograma de raios-x revelou ainda a abundante presença de fases os intermetálicos do tipo Al2CuMg na zona de mistura
acompanhada de um leve deslocamento em 2theta dos picos da fase principal do Al-α. Quanto as propriedades mecânicas, pode-se observar ainda o aumento da dureza de 95 HV do metal base para 110 HV na região de mistura após o
processamento por FSP. Já o coeficiente de atrito (µ) medido na região de mistura apresentou melhora significativa, com uma redução de 0,93 para 0,3 revelando desta forma a uma menor taxa de desgaste associada a região da zona de mistura.
O processamento da liga Al2024-T4 por FSP apresentou redução no tamanho de grão utilizando como parâmetros 300 rpm de rotação e velocidade de avanço de 25,4 mm/min, o valor obtido foi de 3,4 µm na região de mistura, este tamanho de grão proporciona à liga uma propriedade mecânica excepcional de superplasticidade, aumentando a ductilidade do material, que quando aquecido a 430°C chegou a um alongamento de ~525%.
É possível observar ainda que na fabricação de CMMs, o FSP promove a homogeneização das nanofases e o refinamento microestrutural em ligas fundidas (GANDRA et al., 2014; GARCÍA-VÁZQUEZ et al., 2016)
3.4 Adição de partículas para a produção de CMM por FSP
A incorporação seletiva de partículas de reforço cerâmicas pode ser realizada em regiões localizadas do material metálico levando a fabricação de CMM superficiais de grande interesse. Como pode ser visto, um dos processos alternativos e bastante eficiente na fabricação de CMM superficiais é o FSP. Nesta seção apresenta-se uma revisão de trabalhos na qual a introdução de partículas cerâmicas de reforço foram empregadas em ligas de Alumínio, formando compósitos de matriz de Alumínio (CMAs).
Cabe destacar que a adição de partículas por FSP é uma forma de fabricar CMM de forma localizada, agregando propriedades específicas em uma região que demanda de maior resistência, por exemplo. Assim como dito no tópico anterior, a adição de partículas por FSP tem características similares às obtidas por FSW, desta forma, ambos processos podem ser considerados análogos.
Dolatkhah et al. (2011), fabricaram compósitos por FSP adicionando partículas de Carbeto de Silício (SiC) por meio de uma canaleta com 2mm de profundidade e 1mm de largura, na liga de Al5052, avaliando no estudo quais os impactos e efeitos na microestrutura e propriedades mecânicas com a variação dos seguintes parâmetros de FSP: tamanho das partículas de SiC e número de passes, Os resultados obtidos demostraram que a adição de SiC promove um intenso refinamento do grão de alumínio na zona de mistura que é responsável pelo
aumento da microdureza, e essa relação se intensifica com o aumento no número de passes, e as amostras com 4 passes apresentam dureza superior quando comparada com as amostras processadas com número de passes inferior. Observou-se ainda que o tamanho das partículas de SiC impacta nas propriedades. As amostras processadas com adição de partículas de SiC de 50 nm apresentaram resistência ao desgaste muito superior quando comparado às partículas com dimensão de 5 µm, resultando em taxas de desgaste de 2/963x10-5 mm3/Nm e
3/889x10-5 mm3/Nm, respectivamente.
Trabalho similar foi desenvolvido por Salehi et al. (2014) usando como metal base a liga de Al da série 6061 com a introdução por uma canaleta do pó de SiC com diâmetro médio das partículas de 50 nm. Observou-se valores de microdureza 3,2 vezes superior na zona de mistura comparada ao metal base. Outra análise realizada foi referente ao número de passes, visto que o aumento do número de passes leva a formação de um compósito mais homogêneo, e isto impacta de forma positiva nas propriedades mecânicas do material. Já os CMA com menor número de passes e com isso mais heterogêneos, apresentaram valores de microdureza 15% menor quando comparados aos CMAs obtidos com o maior número de passes, resultando em uma correlação linear entre a maior microdureza com a redução do espaço entre partículas.
Em um outro trabalho, Sahraeinejad et al. (2015), fabricaram CMAs por FSP com a incorporação de três diferentes partículas cerâmicas de reforço: SiC, Al2O3 e
B4C, utilizando canaletas com profundidade entre 2 e 4 mm, usando como matriz
uma chapa de 6,3 mm da liga de Al da série 5059. Neste trabalho, os autores mantiveram os parâmetros de máquina fixos, alterando apenas o número de passes. Constatou-se, inicialmente, que o aumento no número de passes promove uma maior distribuição das partículas na zona de mistura, já quanto as propriedades mecânicas, todas as amostras dos três tipos diferentes de partículas após 3 passes de FSP obtiveram uma melhora significativa que resultou em um aumento de aproximadamente 15% na dureza comparadas com o material processado sem a adição das partículas, porém a amostra com B4C foi a que apresentou melhor
desempenho sob resistência a tração.
Outra forma de obter compósitos é pela adição simultânea de 2 diferentes tipos de partículas. Jalilvand et al. (2019) estudaram a fabricação de um compósito híbrido de Al2O3 com SiO2 por FSP em uma matriz de alumínio da liga A356 com 10
mm de espessura. Para tanto, realizou-se uma sequência de furos excêntricos com 4 mm de profundidade que foram preenchidos de forma alternada com os dois pós. Após algumas tentativas os melhores parâmetros de processamento observado para a fabricação dos CMAs foram com velocidade de rotação e avanço de 1000 rpm e 112 mm/min, respectivamente. Os resultados obtidos com o processamento por FSP foram uma redução da porosidade do material devido a fragmentação das partículas maiores de sílica, quanto as propriedades mecânicas, o compósito apresentou microdureza 40% maior comparado com a liga pura apenas processada por FSP que por sua vez já era maior que a liga sem o FSP, além do compósito melhorar significativamente a resistência à corrosão.
Outra vantagem dos CMAs produzidos por FSP está associada às características tribológicas do material.
Bourkhani et al. (2019) produziram compósitos usando como matriz chapas da liga Al1050-O de 10 mm de espessura e usaram de reforço nanopartículas de Al2O3 que foram depositados por meio de uma canaleta de 1 mm de espessura e
3mm de profundidade. Para o processamento foi escolhido uma velocidade de rotação de 1180 rpm e 80 mm/min para a velocidade de avanço, e o resultado obtido foi que o compósito possui coeficiente de atrito menor que da liga não processada devido à inclusão das nanopartículas de Alumina na zona de mistura, enquanto o coeficiente de atrito da amostra não processada oscilou entre 1,5 e 2, o coeficiente de atrito do CMA oscilou entre 0,75 e 1. Esta redução está associada ao aumento da resistência ao desgaste.
4 METODOLOGIA
4.1 Materiais e Métodos
Para a fabricação dos compósitos foram utilizadas chapas de Alumínio laminado da liga 2024-T6 nas dimensões 200 x 140 x 3 mm. A Tabela 3 mostra a composição nominal teórica máxima de cada ou o intervalo admissível de cada elemento de liga da matriz de acordo com a American Society for Metals (ASM) e a composição real obtida por meio de ensaio de Florescência de raios-X (FRX).
Tabela 4: Composição da liga 2024 teórica e experimental em % de massa
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Não especificado Cada Total Teórico 0,5 0,5 3,8 - 4,9 0,3 - 0,9 1,2 - 1,8 0,1 0,25 0,15 0,05 0,15 FRX 0,551 0,066 4,19 0,586 X X 0,066 X X X
Fonte: Adaptado de ASM International (1990)
A norma op. cit. ainda prevê a possibilidade da presença de no máximo 0,20% de Al(Zr + Ti) para ligas extrusadas ou forjadas, no caso da chapa utilizada neste trabalho, a forma de obtenção não impacta nas propriedades pois ela passa por tratamento térmico após a laminação, e este tratamento atenua os efeitos provocados pela conformação mecânica.
A composição da liga foi confirmada por meio do ensaio de florescência de raios-X (FRX), realizado no equipamento EDX-7000 da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, sendo a concentração, em massa, encontrada apresentada na segunda linha da Tabela 4, podendo ser observado que as quantidades condizem com o esperado pela norma para a liga 2024, principalmente o Cu que é o elemento de liga característicos da série 2xxx, e que a norma estabelece entre 3,8 e 4,9% em massa e o FRX apontou 4,19%.
A menor concentração de ferro na liga é considerada benéfica para o FSP, pois este elemento forma um intermetálico, Al6(Fe-Mn), com menor dissolução
quando comparado com outros intermetálicos (JOHN et al.; 2019).
Outro elemento que apresenta concentração baixa é o Zinco, com 0,066% de massa, e pela norma o valor máximo admitido é de 0,25%. No entanto, pela norma tratar de valores máximos de percentual em massa, a presença baixa de Zn não interfere na denominação da liga, diferente do Fe. Na literatura não foi constatado menções da interferência deste elemento no FSP.
A partícula cerâmica em forma de pó utilizada neste trabalho foi obtido de cascas cerâmicas (CCF) utilizadas no processo de fundição por cera perdida (microfusão) cuja composição baseia-se em uma mistura rica em Alumina e Silicatos (Al2O3+SiO2). As cascas cerâmicas no estado recebido foram moídas por 5 minutos
em um moinho de bolas modelo SPEX com poder de moagem de 40:1 e transformadas em pó. As cascas cerâmicas, apresentada na Figura 9, foram fornecidas pela empresa Fundimazza da cidade de Cordeirópolis, SP.
Figura 9: Cascas cerâmicas utilizadas na obtenção do pó
O processo de FSP foi realizado em uma Fresadora Universal marca CLARK, modelo FH4 estrutural em “Meehanite”, eixo horizontal acionado por engrenagens com lubrificação forçada adaptada para este fim, Figura 10. Duas ferramentas de aço H13 e ombro com diâmetro de 16 mm conforme mostra a Figura 11 foram usadas no processamento.
Figura 10: Fresadora adaptada para realização do FSP
A Figura 11 apresenta as ferramentas utilizadas para o processamento em e os seus respectivos croquis com as dimensões, na Figura 11a apresenta a ferramenta que não possui pino, já a, Figura 11b, apresenta a ferramenta que contém a presença de um pino com dimensões de 5 mm de diâmetro e 1 mm de altura.
Figura 11: Ferramenta usada para realizar o FSP, a) sem pino e b) com pino (medidas em mm)
As ferramentas apresentam a mesma dimensão do ombro, 16 mm de diâmetro, já o corpo da ferramenta não apresenta um valor fixo pois depende do mandil utilizado para fixação da ferramenta na máquina, no caso foi utilizado 110 mm, quanto as tolerâncias dimensionais, foi proposto utilizar a norma NBR ISO 2768-1, o que representa uma tolerância de ±0,05mm.
4.2 Incorporação dos Pós Cerâmicos
4.2.1 Deposição dos pós
Para a deposição do pó cerâmico na chapa de Alumínio para posterior processamento por FSP foram utilizadas três configurações diferentes de cavidades na chapa que foram preenchidas com o pó, sendo duas configurações com furos pontuais e uma terceira na forma de canaleta, apresentadas na Figura 12. Cabe destacar que além de alterar a configuração dos furos, também alterou-se as dimensões dos furos.
Figura 12: Configuração de furos usada para a incorporação de pó cerâmico na zona de processamento (dimensões em mm)
A Figura 12a mostra a primeira configuração, chamada de furos alinhados, que consiste em quatro furos equidistantes com distância de 10 mm um do outro com 3 mm de diâmetro e 1,5 mm de profundidade e fundo cônico, que dada a geometria da broca, resultou em um volume médio de 10,6 mm3 por furo e 42,4
mm3 na região processada, posicionados e alinhados com a linha de processamento
em uma extensão de 100 mm de comprimento a partir de 30 mm, considerando 20 mm para a entrada e saída da ferramenta.
A segunda configuração, conforme mostra a Figura 12b, foi o uso de furos excêntricos sendo a linha média entre os furos o eixo pelo qual o pino da ferramenta passa de 0,5 mm de profundidade alternados em relação à linha média em 1 mm a cada 5 mm, e fundo plano feito por uma fresa de 2 mm de diâmetro, cada furo apresenta um volume de 1,57 mm3 e um volume de 9,42 mm3 na região processada.
Por fim, a terceira configuração, Figura 12c, trata-se da incorporação do pó por meio de uma canaleta com 2 mm de largura e 0,5 mm de profundidade feita pela mesma fresa usada na configuração 2, a canaleta resultou em um volume de 25 mm3.
a)
A presença do espaço nas chapas antes do primeiro furo ou início da canaleta foram utilizados para a entrada e saída da ferramenta, de modo que apenas a região útil de FSP de análise contivesse a inclusão das partículas cerâmicas, além de promover uma entrada da ferramenta mais suave e efetiva, promove também uma redução do tempo de processamento, pois evita que furos e canaleta maiores sem utilização sejam fabricados, além disso, a região de análise e preparação de amostras se restringiram ao centro da região processada, descartando o início e o final do cordão de FSP.
A forma de incorporação das partículas impacta na quantidade de material cerâmico que é adicionado ao compósito, embora o aumento da quantidade possa prejudicar o FSP pela menor quantidade de material dúctil para a deformação plástica causada pelo FSP, o aumento da concentração de material cerâmico pode promover melhores resultados de resistência a abrasão, conforme exposto por Kök (2006) que avaliou as propriedades de resistência a abrasão comparando com o aumento da concentração de alumina e o tamanho de suas partículas, quando adicionados na matriz da liga Al2024.
Figura 13: Fixação das chapas na máquina e a respectiva posição dos eixos com a montagem das chapas
