Estudo de corrosão por pite in situ da liga de alumínio EN AC 46000
Bruno do Nascimento Amancio Silva, Silvano Leal dos Santos, Leandro Antônio de Oliveira, Renato Altobelli Antunes
Universidade Federal do ABC
Av. dos Estados, 5001, Santo André-SP CEP: 09210-580 mara.oliveira@ufabc.edu.br
Resumo
O fenômeno da corrosão por pite tem uma importância tecnológica marcante em ligas de alumínio. A liga de alumínio EN AC 46000 tem aplicações na indústria automobilística e sua resistência à corrosão localizada deve ser elevada a fim de evitar a nucleação de trincas que possam levar à ocorrência de falhas em componentes estruturais. Esta liga é composta majoritariamente por Al, Cu, Si e Fe, tendo uma microestrutura complexa caracterizada pela presença de diferentes tipos de fases. A formação de pites está relacionada à presença de precipitados. Neste trabalho esse fenômeno foi investigado in situ por meio da imersão de amostras do material em um eletrólito de NaCl 3,5%p em diferentes períodos de tempo para promover a formação de pites de forma que foi possível identificar a localização preferencial para o aparecimento do pite no material. A evolução do processo corrosivo foi acompanhada por microscopia confocal de varredura a laser. Os resultados revelaram que a corrosão se inicia preferencialmente nas regiões adjacentes à fase acicular rica em Si.
Palavras-chave: liga de alumínio; EN AC 46000; corrosão in situ 1. INTRODUÇÃO
O alumínio e suas ligas apresentam aplicações consolidadas em variados setores industriais em virtude de uma combinação interessante de propriedades tais
como baixa densidade, propriedades mecânicas adequadas, boa usinabilidade, alta condutividade elétrica e resistência à corrosão(1,2).
A liga AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) é usada principalmente na indústria automobilística. Ela contém uma quantidade relativamente grande de cobre, acarretando em boas propriedades mecânicas e facilidade de processamento por fundição. Ela é usada especialmente para produção de peças fundidas complexas com paredes finas expostas a cargas dinâmicas e para componentes de motor(3,4). Sua principal desvantagem é a baixa resistência à corrosão(5).
Esta liga liga é classificada como hipoeutética e apresenta diferentes fases. Cristalinas. A fase predominante é a matriz α-Al que apresenta uma estrutura em forma de dendritas e também e por uma estrutura eutética Al-Si que está presente entre os ramos das dendritas(6). Os intermetálicos que possuem alta quantidade de silício, em sua maioria possuem forma de agulha o que faz com que sua dureza seja aumentada, mas em contrapartida atuam concentrando tensões devido ao seu formato(6). Outra fase que é formada na liga é o β-Al5FeSi que nucleia e tem seu crescimento na matriz. Esta possui forma de agulhas e apresenta elevada dureza(7). O efeito da microestrutura sobre as propriedades mecânicas das ligas de alumínio de uso automotivo e aeronáutico é amplamente investigado na literatura (8-10). Do mesmo modo, a influência de características microestruturais sobre o comportamento de corrosão de ligas de alumínio de uso estrutural é bem documentado(11-13). No entanto, existem informações escassas sobre o fenômeno de corrosão in situ da liga de alumínio EN AC 46000, buscando investigar a correlação entre sua microestrutura e os sítios preferenciais para inicio do processo de corrosão.
O objetivo deste projeto foi investigar o fenômeno da corrosão por pite in situ da liga de alumínio EN AC 46000. Para isso a microestrutura da liga foi caracterizada por microscopia confocal de varredura a laser (CLSM) antes e após ensaio de corrosão em solução de NaCl. Os ensaios de corrosão foram conduzidos por imersão e também por métodos eletroquímicos.
2.1 Preparação da liga e preparação das amostras para ensaios de corrosão
Para obtenção dos corpos de prova foi realizada a fusão de 1 kg da liga EN AC 46000 em um cadinho de carbeto de silício em um forno elétrico. A liga foi aquecida a uma taxa de 100ºC/minuto até a temperatura máxima de 720ºC e mantida por 40 minutos para sua completa fusão; posteriormente, foi feito o vazamento em um molde permanente para obtenção dos corpos de prova em forma de tarugos com dimensões de 120 mm de comprimento x 20 mm de largura x 20 mm de espessura. A caracterização da composição química da liga foi feita por meio de espectrometria por emissão óptica, utilizando espectrômetro de centelhamento Modelo Espectromax Série 115733. A composição obtida é mostrada na Tabela 1. Tanto a fundição da liga como a caracterização química foi realizada na FATEC-SP. Tabela 1. Composição química da liga EN AC 46000 utilizada no trabalho.
Elemento Si Fe Cu Mn Mg Zn Al
Massa (%) 10,3 1,1 2,0 0,2 0,1 0,6 Bal.
Após essa etapa, os corpos de prova foram cortados utilizando cortadeira metalográfica do tipo cut-off, com discos de carbeto de silício, deixando os corpos de prova com aproximadamente 25 mm de comprimento e mantendo as outras dimensões inalteradas.
Com a necessidade da análise metalográfica das amostras foi feito o lixamento utilizando a seguinte seqüência granulométrica das lixas 200, 400, 600, 800 e 1200; em seguida, o polimento com suspensão de alumina 6 μm; por fim, foi feito o ataque com ácido fluorídrico 0,5% v/v por aproximadamente 45 s.
Com o intuito de acompanhar a evolução da corrosão por pite nas amostras se fez necessária uma marcação para que a evolução do processo de corrosão pudesse ser acompanhada, associando as características microestruturais da liga aos eventos relacionados ao processo corrosivo. Com a utilização de durômetro Vickers. As amostras foram marcadas com uma dureza de 1 kgf. Para este 2. MATERIAIS E MÉTODOS
procedimento foram feitas três marcas distintas e não lineares de forma que todas as marcações se localizassem dentro da região que seria exposta ao meio corrosivo.
A análise microestrutural foi feita por meio de um microscópio confocal de varredura a laser (MCVL) (Olympus LEXT OLS4100) sendo obtidas as imagens antes e após os ensaios de corrosão. Os ensaios de corrosão foram conduzidos de duas maneiras, ensaio de imersão e ensaio eletroquímico.
2.2 Ensaio de imersão
Para o ensaio de imersão foi utilizado como eletrólito a solução de NaCl 3,5%p por tempos determinados, sendo estes de 0h, 1h, 2h, 4h, 7h, 24 h. A superfície da amostra foi observada antes e após cada período de imersão, tendo como objetivo acompanhar a evolução do processo corrosivo e identificar se sua ocorrência estaria associada a alguma característica microestrutural específica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Ensaio de Imersão
Foi selecionada apenas uma das marcações para ser acompanhada a evolução da corrosão. Para cada marcação foi feito registro de quatro imagens obtidas em quadrantes conforme o esquema mostrado na Figura 1. O centro da imagem é o local da marcação.
Figura 1. Esquema mostrando a metodologia empregada para obtenção das imagens de microscopia confocal de varredura a laser a fim de acompanhar a evolução do processo corrosivo da liga EM AC 46000 imersa por diferentes tempos em solução de NaCl 3,5% em massa.
3.1.1 Ensaio de Imersão t = 0 h
Inicialmente foi feito o registro das imagens da amostra com a utilização do microscópio confocal no tempo igual a zero, mostrando que a amostra não apresenta nenhum sinal de pite visível no inicio do experimento (Figura 2). As imagens mostram os quatro quadrantes analisados. A marcação feita com o microdurômetro Vickers pode ser visualizada junto ao centro da Figura 2, em cada um dos quadrantes. Além disso, é possível verificar as diferentes fases presentes no material mesmo que esta não esteja com uma ampliação alta. As únicas marcas iniciais, que se encontram no meio das quatro imagens representam a marcação realizada pelo microdurômetro Vickers.
1
2
3
4
Figura 2. Micrografias de MCVL da liga EN AC 46000 antes da imersão.
3.1.2 Ensaio de Imersão t = 1 h
Após a primeira hora de exposição à solução de NaCl, é possível notar que ocorre o início da formação de corrosão por pite na amostra, demonstrando a facilidade com que esse fenômeno pode ocorrer conforme evidenciado na Figura 3. Com a ampliação da imagem é possível identificar o local de preferência para inicio da corrosão por pite. Esta acontece em sua preferência nas fases em forma de agulhas, que contém uma alta concentração de silício, representadas na cor escura na Figura 4.
Figura 3. Micrografias de MCVL da liga EN AC 46000 para o tempo de imersão de 1 h.
Figura 4. Micrografia de MCVL da liga EN AC 46000 para o tempo de imersão de 1 h, mostrando sítio preferencial para formação de pite.
3.1.3 Evolução do processo de corrosão para tempos mais longos
A partir do tempo de imersão de 1 h o processo de corrosão se intensificou. Houve a nucleação de novos pites, além do aparecimento de manchas escuras em regiões corroídas junto à matriz de Al-α e sinais de corrosão em torno da marcação feita com o microdurômetro Vickers.
O aspecto superficial da liga EN AC 46000 após 24 h de imersão em solução de NaCl 3,5% em massa é mostrado na Figura 5. Os contornos de grão e os contornos das fases Si/Al foram principalmente os focos da corrosão por pite..
Figura 5. Micrografias de MCVL da liga EN AC 46000 para o tempo de imersão de 24 h.
4. CONCLUSÕES
A partir do ensaio de imersão foi possível identificar os locais nos quais acontece a corrosão por pite, ou seja, esta ocorre preferencialmente nos contornos de grão e nas delimitações das fases Si/Al, sendo que o processo foi mais marcante nas fases com alta concentração de silício, fases escuras em forma de agulha.
(1) WU, Y.; LIAO, H. Corrosion behavior of extruded near eutectic Al-Si-Mg and 6063 alloys. Journal of Materials Science and Technology, v. 29, p. 380-386, 2013. (2) ARTHANARI, S.; JANG, J.C.; SHIN, K.S. Corrosion studies of high pressure die-cast Al-Si-Ni and Al-Si-Ni-Cu alloys. Journal of Alloys and Compounds, v. 749, p. 146-154, 2018.
(3) TIMELLI, G.; BONOLLO, F. The influence of Cr content on the microstructure and mechanical properties of AlSi9Cu3(Fe) die-casting alloys. Materials Science and Engineering A, v. 528, p. 273-282, 2010.
(4) KOSEC, G.; NAGODE, A.; BUDAK, I.; ANTIÉ, A.; KOSEC, B. Failure of the pinion from the drive of a cement mill. Engineering Failure Analysis, v. 18, p. 450-454, 2011.
(5) VONCINA, M.; MOCNIK, N.; NAGODE, A.; STOIC, A.; BIZJAK, M. Dependence of mechanical properties on Cu contente in AlSi9Cu3(Fe) alloy. Tehnicki Vjesniki, v. 24, p. 229-231, 2017.
(6) SANTOS, R. G. Transformações de fases em materiais metálicos., Editora Unicamp. 2 ed, 2006.
(7) SANTOS, S. L.; ANTUNES, R. A.; SANTOS, S. F. Influence of injection temperature and pressure on the microstructure, mechanical and corrosion properties of a AlSiCu alloy processed by HPDC. Materials and Design, v.88 p.1071–1081, 2015.
(8) PANUSKOVA, M.; TILLOVA, E.; CHALUPOVA, M. Relation between mechanical properties and microstructure of cast aluminum alloy AlSi9Cu3. Strength of Materials, v. 40, p. 98-101, 2008.
(9) BIN, S.-B.; XING, S.-M.; TIAN, L.-M.; ZHAO, N.; LI, L. Influence of technical parameters on strength and ductility of AkSi9Cu3 alloys in squeeze casting. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, v. 23, p. 977-982, 2013.
(10) ACHILCHANDRA, A.R.; ARNBERG, L.; BONOLLO, F.; FIORESE, E.; TIMELLI, G. Evaluating the tensile properties of aluminum foundry alloys through reference castings – A review. Materials, v. 10, p. 1011-1022, 2017.
(11) ARRABAL, R.; MINGO, B.; PARDO, A.; MOHEDANO, M.; MATYKINA, E.; RODRÍGUEZ, I. Pitting corrosion of rheocast A356 aluminium alloy in 3.5 wt.% NaCl solution. Corrosion Science, v. 73, p. 342-355, 2013.
(12) KUCHARIKOVA, L.; LIPTAKOVA, T.; TILLOVA, E.; KAJANEK, D.; SCHMIDOVA, E. Role of chemical composition in corrosion of aluminum alloys. Metals, v. 8, p. 581-593, 2018.
(13) FARAHANY, S.; OURDJINI, A.; BAKHSHESHI-RAD, H.R. Microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Al-Si-Cu-Zh-X (X=Bi, Sb, Sr) die cast alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, v. 26, p. 28-38, 2016.
Universidade Federal do ABC
Av. dos Estados, 5001, Santo André-SP CEP: 09210-580 leandro.oliveira@ufabc.edu.br
Abstract
The pitting corrosion phenomenon has a remarkable technological relevance for aluminum alloys. The EN AC 46000 aluminum alloy has applications in the automotive industry and its localized corrosion resistance must be high to avoid the nucleation of crack which can lead to mechanical failures of structural components. This alloy is mainly comprised of Al, Cu, Si and Fe, presenting a complex microstructure characterized by the presence of different crystalline phases. Pitting formation is related to the presence of precipitates. In this work, we investigated this phenomenon in situ by immersing the samples in an electrolyte consisting of NaCl for different periods of time. The evolution of the corrosion process was accompanied by confocal laser scanning microscopy. The results allowed to identifying that corrosion begins preferentially at the interface between silicon-rich phases and the aluminum matrix.
Palavras-chave: aluminum alloy; EN AC 46000; in situ corrosion
Study of in situ pitting corrosion of the EN AC 46000 aluminum alloy
Bruno do Nascimento Amancio Silva, Silvano Leal dos Santos, Leandro Antônio de Oliveira, Renato Altobelli Antunes
