MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE LIGA DE ALUMÍNIO 1050 NA OBTENÇÃO DE AEROSSÓIS
Carlos Triveño Rios1,2,
Bianca Campos Gregorio1,
Cleber Caramatti Machado2
1 Engenharia de Materiais – CECS – Universidade Federal do ABC, Santo André – SP, Brasil, e-mail: carlos.triveno@ufabc.edu.br
2 Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PPG-CEM - Universidade Federal do ABC, Santo André –SP, Brasil.
Resumo: A liga de alumínio 1050, devido a sua elevada condutividade térmica e elétrica, baixa resistência mecânica e boa conformabilidade é utilizada em componentes de sistemas térmicos e elétricos, assim como na área de embalagens de aerossóis. O objetivo principal desse trabalho é comparar a microestrutura de pastilhas para extrusão da liga 1050 na condição recozida com baixo teor de ferro com amostra na condição bruta de fusão. Os resultados mostram que a estrutura da amostra como fornecida é constituída de grãos alongados de alumínio da fase α e por precipitados finos de forma esferoidal correspondentes a fases intermetálicas do sistema Al-Fe, enquanto que a amostra bruta de fusão possui uma microestrutura constituída de matriz dendrítica e de regiões interdendríticas envolvendo estruturas eutéticas. As amostras na forma de pastilhas apresentaram baixos valores de limite de escoamento e de dureza e elevada ductilidade, combinada a uma microestrutura refinada. Essas condições favorecem o processo de extrusão por impacto na obtenção de embalagens para aerossóis.
Palavras Chaves: Liga de alumínio 1050, Aerossóis, Caracterização estrutural e mecânica.
1.0 INTRODUÇÃO
O alumínio é o metal não-ferroso mais consumido no mundo. As vantagens desse metal com relação ao aço e o plástico são a reciclabilidade, resistência à corrosão, resistência mecânica com menor peso específico, entre outros. Uma característica interessante do alumínio é o de se combinar com uma grande quantidade de elementos de liga, formando várias séries de ligas, com diferentes propriedades.
Dentre as ligas de alumínio, destacam-se as ligas da série 1XXX, conhecidas como "alumínio comercialmente puro" [1]. Essa série possui excelente resistência à corrosão, trabalhabilidade com deformação a frio, elevada condutividade térmica e elétrica e baixa resistência mecânica [2]. Suas principais aplicações estão em componentes de sistemas térmicos e elétricos, no qual é exigida alta condutividade sem necessidade de melhores propriedades mecânicas. Essa série, por ser de fácil conformação, também é comumente utilizada na fabricação de chapas automotivas, embalagens e latas para conserva de alimentos e bebidas.
Uma das preocupações na produção de latas ou aerossóis está relacionada à resistência no processo de conformação, no qual se tem como limitante o conteúdo de ferro e silício presente na liga 1050. Ambos os elementos são as impurezas mais comuns do alumínio.
No alumínio fundido (estado líquido), a solubilidade do ferro em alumínio é baixa (0,05 %p de Fe), porém no alumínio sólido, a solubilidade ainda é mais baixa (0,04 %p de Fe). Dessa forma, a presença do Fe facilmente excede o limite de solubilidade e acarreta na formação de constituintes intermetálicos nos contornos de grão [3]. Embora pequenas quantidades de ferro em alumínio reduzam a soldabilidade em matrizes metálicas durante processos de fundição, atuando como refinadores de grão em produtos trabalhados [1, 4], a sua presença em ligas fundidas de Al-Si, geralmente, é indesejável devido ao fato do ferro formar fases grosseiras ricas em ferro, assim como fases intermetálicas do sistema Al-Fe-Si e, que afetam o comportamento do material durante os processos de fabricação, especialmente na redução da ductilidade.
Portanto, no presente trabalho foi realizada uma comparação do comportamento mecânico e microestrutural de uma liga 1050 no estado como fundido e no estado como recebido de pastilhas (slug), especialmente na presença de fases intermetálicas e da determinação das propriedades mecânicas básicas usadas para obter embalagens tipo aerossóis através do processo de extrusão por impacto.
2.0 MATERIAIS E MÉTODOS
Na realização do presente trabalho foi utilizada a liga de alumínio 1050, produzida e cedida pela CBA – Companhia Brasileira de Alumínio, tal como
mostrada na figura 1. Na tabela 2 é mostrada a composição química da liga 1050. A obtenção das pastilhas (slug), geralmente, envolve estágios prévios, como fundição contínua de chapas (Twin Roll Caster) em bobinas de 8 mm de espessura, seguido de laminação a frio para obter bobinas de 5,8 – 6,0 mm de espessura, seguido por corte de discos slug de 44,41 - 44,45 mm de diâmetro, seguido de recozimento em 460 oC e jateamento [5]. As amostras como fundidas foram obtidas por fusão de
pastilhas (slug) em cadinho de aço dentro de um forno tipo mufla (modelo JUNG - 1020) e após fusão as amostras foram resfriadas ao ar.
Figura 1. Liga de alumínio 1050 fornecido em forma de chapa laminada e pastilha
(slug) recozida em 460 oC.
Tabela 1. Composição química da pastilha laminada da liga de Al 1050, fornecida
pela CBA.
Elemento Si Fe Cr Mn Mg Ti
% p 0,068 0,265 0,022 0,04 0,001 0,028
A caracterização microestrutural das chapas laminadas foi realizada nas posições longitudinal e transversal. Após lixamento e polimento foram atacados por reativo Keller (2,5 mL de HNO3, 1,5 mL de HCl e 1,0% de HF diluídos em 95 mL de
água destilada) para revelar fases e contorno de grãos. Para medidas do tamanho de grão foi atacado em solução eletrolítica condutora de HBF4 1,8%, por 3 minutos, com uma tensão de 20V e corrente i = 0,2 A. As imagens foram obtidas usando luz refletida e luz polarizada de um microscópio óptico Olympus BX51M, com software de aquisição de imagens. Na obtenção do tamanho de grão médio, utilizou-se o método do intercepto linear (Norma ASTM E 112 96). Nas medidas de fração volumétrica de compostos intermetálicos foi utilizado o software livre Image J. As imagens de elétrons secundários e imagens de elétrons retro espalhados foram obtidas em um microscópio eletrônico de varredura (JEOL-JSM 60-10) equipada com espectrometria de energia dispersiva EDS.
A caracterização mecânica foi realizada por ensaios de tração e compressão a temperatura ambiente utilizando uma máquina universal (Instron – 3369), com célula de carga de até 50 kN. Os ensaios foram realizados a uma velocidade de 1,0 mm/min. As dimensões dos corpos de prova para ensaios de tração foram de 12,5 mm de largura e 50 mm de comprimento, com espessura de 5,8 mm. As dimensões dos corpos de prova para ensaios de tração foram de 12,5 mm de largura, 50 mm de comprimento, e, 5,8 mm de espessura. Para ensaio de compressão, as amostras tiveram formato retangular de 4,3 mm de largura com 5,8 mm de espessura, e 7,5 mm de comprimento. As medidas de dureza Brinell foram realizadas em durômetro de bancada “Digimess OSM P”. Para isso foi utilizado um penetrador esférico de 2,5 mm e aplicação de carga de 187,5 Kgf que foi mantida por 15 segundos.
3.0 RESULTADOS
Na figura 2a-b são apresentadas imagens de luz refletida e luz polarizada da seção longitudinal da pastilha (slug) da liga de Al 1050. Na figura 2b se observa que as regiões superiores e inferiores das pastilhas laminadas de 5,8 mm de espessura exibem uma microestrutura bastante refinada quando comparada à região central. Na tabela 3 pode ser observado que o tamanho de grão médio na região central da seção longitudinal é maior que da região próxima à superfície e maior que da região central da seção transversal. Essa característica é associada aos processos de laminação na qual os rolos laminadores exercem maior grau de deformação nas superfícies das chapas do que da região central da chapa laminada. A fração volumétrica (contraste escuro) corresponde à região interdendrítica, onde se formam compostos intermétalicos. Segundo, Totten [6] as fases finas do sistema Al-Fe, em ligas diluídas de Al, podem atuar como sítios de nucleação e como refinadores de grão.
Tabela 3. Fração de volume e tamanho de grão em chapa laminada e amostra como
fundida da liga de Al 1050.
Amostra Região Fração de
Volume (%)
Tamanho de Grão (µm) Longitudinal
(pastilha) Próximo da superfície 2,4 95,1 ± 15,9
Central 2,1 114,1 ± 10,8
Transversal
(pastilha) Próximo da superfície 2,4 64,8 ± 7,3
Central 2,1 94,1 ± 13,6
Na figura 3a-b se observa imagens de elétrons secundários de microscopia eletrônica de varredura da região central das pastilhas (slug). A imagem ampliada (figura 3b) mostra presença de precipitados de contraste claro ao longo dos contornos de grão. O tamanho desses precipitados é da ordem sub-micrométrica com forma esferoidal. Essa microestrutura corresponde ao tratamento térmico de
recozimento em 460 oC, e que é adequada para posterior processamento por
extrusão por impacto para obter as embalagens tipo aerossóis.
Figura 2. Imagens de microscópio óptico; (a) com luz refletida, e, (b) com luz
polarizada da seção longitudinal da pastilha laminada da liga de Al 1050.
Figura 3. Imagens de ES-MEV; (a) da seção longitudinal da pastilha laminada, e, (b)
ampliação da figura 3a, da liga de Al 1050.
Na figura 4 se observa micrografias de amostras brutas de fusão da liga 1050. Observa-se que após solidificação, a microestrutura dominante é dendrítica e corresponde à fase Al-α de contraste cinza. O contraste de cor clara corresponde à precipitação de fases intermetálicas nos contornos dos braços dendrítico. Já o contraste de cor cinza escuro corresponde a inclusões de óxidos na superfície da
(a) (b)
amostra fundida. A microestrutura com ampliação (figura 4b) da região interdendrítica corresponde a uma estrutura eutética com lamelas finas da fase Al3Fe alternadas com lamelas de Al-α. Isso, devido à transformação eutética da fase
líquida em fase sólida (L Al3Fe + Al-α, em ~655 oC). Segundo Simensen [7], essa
estrutura pode corresponder a uma transformação eutética metaestável, onde a fase líquida se transforma para as fases; Al-α + Fe2Al9, observada na liga
Al-0,5%Fe-0,2%Si (%p). Por outro lado, nos terminais e/ou extremos da estrutura eutética, também é observado fases de contraste mais clara sem forma específica. Segundo Allen, et al. [8], essas fases com essas características podem corresponder a fases ternárias do tipos Al8Fe2Si-α.
Figura 4. Imagens de ES-MEV; (a) da seção central da amostra como fundida da
liga de Al 105, e, (b) microestrutura ampliada.
Uma análise de distribuição de elementos químicos por mapeamento EDS-MEV é observado na figura 5. Ela indica que a região da estrutura eutética exibe um teor de Fe entre 5,1 a 7,0 %p de Fe. Esses valores estão acima do teor de Fe (1,8%p) na transformação eutética em equilíbrio. Isso sugere que a estrutura observada nas amostras brutas de fusão corresponde a uma estrutura eutética metaestável: L Al-α + Fe2Al9. Já os extremos da estrutura eutética, de contraste
de cor clara, apresentam presença de Si em torno de 3,0%p, sugerindo, também a formação da fase Al8Fe2Si-α. Já, a partícula grande de contraste cinza-escuro exibe
grandes conteúdos de oxigênio, sugerindo ser uma inclusão de óxido oriundo de
contaminações no processo de fundição.
Figura 5. a) Imagem retro espalhada - MEV, e, mapeamento de distribuição de
elementos químicos por EDS/MEV: (b) Al, (c) Fe, (d) Si, e, (e) O, da amostra como fundida - Liga de Al 1050.
Na figura 6 se observa curvas típicas de tensão – deformação de engenharia para ensaios de tração e de compressão. Na tabela 8, se observa os valores médios de ensaios de tração, compressão e de medidas de dureza Brinell de amostras como recebidas (pastilhas laminadas) e como fundida. Nessas curvas e na tabela 4, se observa que os menores valores de tensão de escoamento, máxima resistência e de dureza da pastilha laminada é menor que da amostra como fundida. Essas diferenças esta relacionada às diferenças microestruturais na condição bruta de fusão e como recebida. Na amostra como fundida, as fases intermetálicas de Al-Fe e Al-Fe-Si encontram-se em forma de lamelas nas estruturas eutéticas, nestas condições, comportam-se como fases frágeis e como concentradores de tensão. Já na condição como fornecida (recozida e encruada), as fases intermetálicas encontram-se na forma de precipitados esferoidais, diminuindo assim seu efeito de concentrador de tensão, sugerindo que o processo de recozimento é essencial para modificar a morfologia das fases intermetálicas, assim, como para reduzir a dureza e o limite de escoamento quando comparada a amostras como fundidas.
Os baixos valores encontrados em relação ao limite de escoamento e da dureza, assim como da resistência à tração da amostra como recebida, encontram-se coerentes com os valores da literatura para amostras na condição O/H111 (Condição recozida / encruado por processos de conformação), condição
necessária, também, para realizar as operações de extrusão por impacto para obter o recipiente tipo aerossol.
Figura 6. Curvas Tensão – Deformação de Engenharia de Tração e Compressão
para amostras como recebida (pastilha laminada) e como fundida da liga de Al 1050.
Tabela 4. Limite de escoamento, máxima resistência e dureza Brinell de amostras
como recebida (pastilha laminada) e como fundida da liga Al 10050.
Amostra Limite de Escoamento, σY (MPa) Máxima Resistência σMax (MPa) Dureza Brinell (HB)
Pastilha laminada - Tração 19,2 ± 2,5 81,8 ± 5,9 20,1 ± 0,6 Pastilha laminada - Compressão 27,2 ± 2,1 > 200 20,1 ± 0,6
Como Fundida 31,6 ± 3,4 > 200 21,9 ± 1,6
4.0 CONCLUSÕES
O presente estudo de microestrutura e propriedades mecânicas de liga de Al 1050 permite concluir, que para o estágio extrusão por impacto na obtenção de aerossóis é necessário que a microestrutura da liga envolva precipitados esféricos finamente distribuídos nos contornos de grão da fase Al-α, de forma a reduzir o efeito de concentrador de tensão quando se encontra na forma de lamelas eutéticas em amostras como fundidas. Além disso, se deve controlar o teor de Fe para níveis
baixos em torno de 0,265 %p e de propriedades como dureza, limite de escoamento e resistência máxima. No caso de ensaios de tração o limite de escoamento e de máxima tração deve estar em torno de 20 MPa e 80 MPa, respectivamente e a dureza em torno de 20 HB. Valores que seriam os mais adequados para o processo de extrusão por impacto.
5.0 AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Central de Multiusuários (UFABC) pelo apoio experimental e ao laboratório da Engenharia de Materiais (UFABC).
6.0 REFERÊNCIAS
[1] ASM, ALUMINUM – properties and physical metallurgy. Ed. By J. E. Hatch, Metals Park, Ohio, 1984
[2] Aluminum Alloys 101. The Aluminum Association. Disponível em:
<http://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101> . Acesso em 17 de abril de 2016.
[3] SANDERS R. E., BAUMANN JR., S. F., AND STUMPF H. C., Wrought Non-Heat Treatable Aluminum Alloys. In : Treatise on Materials Science and Technology, Academic Press, 1989, 31, pg 65-105.
[4] MONDOLFO L. F., Aluminum Alloys: Structure and Properties, Butterworths, London, 1976.
[5] Aerosol Cans – SLUGS. Departamento de Tecnologia. Companhia Brasileira do Alumínio. Janeiro, 2016.
[6] TOTTEN. E. MACKENZIE G., SCOTT D., Handbook of Aluminum – Vol 1. Physical Metallurgy and Processes. Editora Marcel Dekker, Inc, 2013.
[7] SIMENSEN C.J, VELLASAMY R. Z., METALLKDE., 68 (1977), 428.
[8] ALLEN C. M., O'REILLY K. Q., CANTOR B., Evans P.V.,Intermetallic phase selection in 1XXX A1 alloys, Prog. Mater. Sci., 1998, 43, pp.89-170.
MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINUM ALLOY 1050 IN THE OBTAINING OF AEROSOLS
Abstract: The aluminum alloy 1050, due to its high thermal and electrical conductivity, low mechanical strength and good formability is used in components of thermal and electrical systems, as well as in the aerosol packaging area. The main objective of this work is to compare the microstructure of slug for extrusion of alloy 1050 in the annealed condition with low iron content with sample in the as-casting condition. The results show that the structure of the sample as supplied is composed of elongated grains of alpha aluminum and by fine precipitates which corresponding to intermetallic phases of the Al-Fe system. But the as-casting sample has a microstructure consisting of dendritic matrix and interdendritic regions involving eutectic structures. The samples in the form of slug presented low values of yield strength and hardness and high ductility combined with a refined microstructure. These conditions favor the impact extrusion process in the obtaining aerosol containers.
Keywords: Aluminum alloy 1050, Aerosols, Structural and mechanical characterization.
