ESTUDO DA MICROESTRUTURA E DA DUREZA DA LIGA DE ALUMÍNIO AA6351 APÓS O FORJAMENTO E TRATAMENTO TÉRMICO
L. Schaeffer1, D. R. S. de Lima2, C.C. Yurgel3
1 Prof. Dr. - Ing, Laboratório de Transformação Mecânica EE UFRGS
Avenida Bento Gonçalves, 9500, cx 15021 CEP 91501-970 Porto Alegre – RS – Brasil schaefer@ufrgs.br
2 Engº de Materiais, Laboratório de Transformação Mecânica EE UFRGS 3 Engº Mecânico, Senai Cimatec – BA
RESUMO
Este trabalho concentra-se na caracterização microestrutural e da dureza da liga de alumínio AA6351 em três etapas do processo de conformação: a geratriz não conformada, a peça forjada e a peça após tratamento térmico T6. A peça alvo é uma ferradura utilizada em hipismo. É avaliada a distribuição do tamanho de grão do material em função do gradiente de deformação e a distribuição e morfologia dos precipitados, através da técnica de metalografia. Em relação à dureza, são caracterizadas as amostras por ensaio de microdureza Vickers. Estas características são ainda confrontadas com as de uma ferradura comercial importada. É apresentado ainda o ferramental utilizado no processo.
Palavras-chaves: deformação do alumínio, alumínio forjado, ferraduras de alumínio. INTRODUÇÃO
O alumínio é atualmente o segundo metal mais consumido pela engenharia, ficando apenas atrás do ferro e do aço, conforme definiu Smith(1). Tal consumo é explicado pelas propriedades apresentadas por este material, que possui um favorável baixo peso específico e consegue, em algumas ligas, igualar a resistência mecânica dos aços estruturais. O alumínio traz vantagens consideráveis em algumas aplicações devido a sua boa condutividade térmica e elétrica, alta resistência à corrosão e aparência estética favorável.
Segundo Zitz(2), ao longo dos últimos 20 anos o consumo de alumínio mais que triplicou em aplicações automotivas, conforma retrata a figura 1.
Figura 1 – Evolução do consumo de alumínio em aplicações automobilísticas. Segundo o International Aluminium Institute, a produção mundial de alumínio primário em 2003 foi de 21 milhões de toneladas, sendo os EUA o maior produtor, mesmo sem possuir jazidas de bauxita em seu território.
O mercado brasileiro segue a mesma tendência mundial de crescimento no consumo de alumínio. Em entrevista a revista Alumínio(3), Luis Carlos Loureiro Filho, presidente da ABAL (Associação Brasileira de Alumínio), divulgou que, no ano de 2005, foram consumidas 729 mil toneladas de alumínio, registrando um crescimento no consumo de 7% em relação a 2004, que já havia registrado 11,3% de crescimento em relação a 2003.
O potencial do mercado de alumínio no país é imenso, já que o consumo nacional de alumínio é de 4,0 kg/habitante/ano, enquanto que nos países desenvolvidos o consumo é de 28 kg/habitante/ano, muito embora o Brasil possua a 3ª maior reserva natural de bauxita do mundo e atualmente é o 2º maior produtor mundial deste minério.
Ainda segundo a revista Alumínio(3), o setor investe anualmente, apenas no Brasil, cerca de R$ 1,5 bilhão e o país deve fechar o ano de 2005 com U$ 3,0 bilhões em exportações. No entanto, 8 em cada 10 kg de alumínio exportado pelo Brasil correspondem a alumínio bruto, configurando-se como um desafio ao setor o desenvolvimento e a exportação de produtos com maior valor agregado em preços competitivos globalmente.
CONSIDERAÇÕES SOBRE O FORJAMENTO DE ALUMÍNIO
As operações de forjamento são classificadas em à quente, à morno e à frio. O processo de forjamento à quente caracteriza-se por ser realizado em temperaturas superiores a temperatura de recristalização do material. É o mais empregado usualmente. Necessita menor força de forjamento, porém resulta em menor precisão dimensional e pior acabamento superficial da peça. Os processos à morno e à frio, por sua vez, têm melhorados os resultados dimensionais e de superfície, além de gerar um custo mais baixo de processo. As dificuldades nestes processos são as de se forjar geometrias com grandes deformações e a necessidade de maior força de conformação.
Quanto ao tipo de matriz, Randon e Neto(4) classificam a tecnologia de forjamento
do alumínio em 3 tipos:
• Forjamento de matriz aberta ou hand forging – utilizado para geometrias de baixa complexidade, como perfis retos ou curvos e blocos;
• Forjamento em matriz fechada ou die forging – utilizado para geometria de média complexidade, caracterizadas pela existência de linha de partição da matriz inferior com a superior;
• Forjamento em matriz de precisão ou precision forging – utilizados em forjados de alta complexidade, caracterizado por múltiplas linhas de partição, com a peça final praticamente isenta de rebarbas.
Shan(5) et. al., define que pode-se obter peças de alumínio forjado com geometria extremamente complexa com bons resultados utilizando-se uma combinação de diferentes tipos de matrizes. Em seu trabalho, conseguiu-se fabricar um rotor de alumínio com 23 hélices combinando-se matriz superior fechada e inferior aberta, trazendo inclusive ganhos na extração e nas propriedades mecânicas da peça.
Em relação à lubrificação no processo de forjamento de alumínio, os lubrificantes têm como principal finalidade diminuir o atrito, reduzindo a força necessária para a conformação da peça e aumentando a vida útil do ferramental. Oliveira, Koller e
Schaeffer(6) definem que os lubrificantes para forjamento a quente devem ser
constituídos de uma solução a base de grafite + água ou grafite + óleo, o que facilita a sua aplicação no processo.
Quanto à deformação do material durante o processo de conformação, esta tem influência determinante quando o processo é realizado à frio. Ao passo que se aumenta a deformação do material, aumenta-se também a resistência ao escoamento do mesmo.
Durante um processo de conformação, quase toda a energia despendida é transformada em calor. A expressão abaixo (A) propicia quantificar o aumento da temperatura que ocorre, por exemplo, durante uma operação de forjamento:
δ ϕ ϑ ϕ ϕ ϑ ⋅ ⋅ ⋅ = ° ∆ ⋅ C kf C , , ) ( (A) Onde:
kf é a tensão de escoamento em função da deformação (ϕ), da velocidade de
deformação ⋅ ϕ e da temperatura (ϑ) C = calor específico (J/g ºC) δ = massa específica (g/m3) ϑ = temperatura (ºC)
A velocidade de deformação para o caso de forjamento de ligas de alumínio é um parâmetro extremamente importante. Adlof(6) afirma que, caso o forjamento ocorra em
velocidades altas, pode originar em determinados locais na peça um excessivo aumento de temperatura. Neste caso, pode ocorrer fusão e, ao se resfriar a peça, tem-se nestes locais estrutura bruta de fusão. Isso significa que tem-se deve obtem-servar que em nenhum local na peça sejam alcançadas fases líquidas.
Abaixo, a figura 2 exemplifica algumas peças obtidas por forjamento de ligas de alumínio:
Figura 2 - Peças forjadas em alumínio: (a) Em matriz fechada, (b) em matriz aberta, (c) em matriz de precisão.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste trabalho, forjou-se a liga de alumínio AA6351, em uma matriz fechada (figura 3), sendo o processo realizado a quente. A geratriz (figura 4) utilizada foi uma barra cilíndrica, de 14 mm de diâmetro e 280 mm de comprimento, a qual foi devidamente dobrada em uma pré-forma curva.
As geratrizes foram aquecidas em forno mufla a uma temperatura de 450 ºC durante 15 minutos. A matriz foi aquecida por incidência de chama através de maçarico (figura 5), durante um período de 3 horas, onde se alcançou uma temperatura de 180 ºC na superfície da matriz, valor determinado por termopar de contato tipo K.
As geratrizes foram lubrificadas utilizando-se o lubrificante grafítico Delta Forge 31, procedendo-se um pré-aquecimento das mesmas a uma temperatura de 250 ºC, seguido de posterior mergulho das geratrizes na solução lubrificante (figura 6). A matriz
foi também lubrificada, utilizando-se o lubrificante grafítico Aerodag G, em forma de
spray, que foi borrifado momentos antes da conformação, já com a matriz aquecida.
Utilizou-se para a conformação uma prensa hidráulica de capacidade máxima 7000 kN, a qual foi acoplada uma célula de carga para medição da força aplicada e um sensor de deslocamento tipo extensômetro de contato. Os dados foram captados pelo aparelho Spyder 8 e tratados pelo software Catman.
Após o forjamento, algumas peças foram tratadas termicamente com tratamento T6 (figura 7) em forno tipo poço, com circulador de atmosfera, para se evitar gradientes de temperatura. Aplicou-se às peças solubilização em temperatura de 505 ºC, com exposição de 15 minutos, seguido de resfriamento em água. Na seqüência, as peças sofreram um tratamento de envelhecimento, sendo aquecidas a 170 ºC por um tempo de exposição de 6 horas, seguido de resfriamento ao ar livre.
Ao fim do processo de conformação, foram selecionadas 3 amostras retiradas em 3 diferentes etapas do processo (tabela 1): Uma amostra da matéria-prima não deformada, seguida de amostra da peça após conformação (região lateral) e por fim outra amostra da peça após conformação e tratamento térmico (região lateral). Adicionalmente a isso, caracterizou-se uma ferradura importada, de origem americana, marca Victory®, de onde se retirou uma amostra, igualmente da região lateral da peça.
Tabela 1. Denominação das amostras. Amostra Descrição
1 Matéria-prima não deformada
2 Peça forjada – Região lateral
3 Peça após tºtº - Região lateral
4 Ferradura importada – Região lateral
Estas amostras foram submetidas a ensaio de dureza em escala Vickers, com carga de 50g e tempo de 15 segundos e metalografia, utilizando-se dos procedimentos padrões de preparação de amostra, com lixamento na seqüência de lixas de granulometrias 100, 220, 400, 600, 1200 e polidas com alumina em granulometria de 0,3 µm. O ataque utilizado foi o reagente Keller (2ml HF, 3ml HCl, 5ml HNO3, 190ml
H2O). Foram utilizados também outros reagentes, como HF (1ml e 200ml de H2O) e
Cloreto de Cobre. Também se determinou a composição química da liga utilizada na pesquisa e da liga da ferradura importada, utilizando para isto a técnica de espectrometria óptica.
RESULTADOS E DISCUSSÕES Composição química
Em relação à composição química, a liga utilizada neste trabalho classifica-se como liga de alumínio AA 6351, a base de Al-Si-Mg, conforme expresso na tabela 2:
Tabela 2 - Composição química da liga utilizada (AA 6351). Fe Si Mn Mg Al
0,23 0,93 0,49 0,64 97,69
A liga da ferradura importada apresentou a composição química apresentada na tabela 3. Este resultado indica que a liga da ferradura está caracterizada como sendo
uma liga de alumínio AA 6063, a base de Al-Si-Mg, assim como a liga utilizada na presente pesquisa.
Tabela 3 - Composição química da ferradura importada (AA 6063). Fe Si Mn Mg Al
0,22 0,54 0,04 0,52 98,67 Dureza
Após medição da dureza em escala Vickers, chegou-se aos resultados indicados na tabela 4 através de média aritmética de 6 pontos de dureza distribuídos ao longo do perfil das amostras:
Tabela 4 - Durezas obtidas.
Amostra 1 2 3 4
Dureza (HV) 51 69 115 101
Analisando-se a tabela 4, pode-se notar o aumento de dureza conferido ao material nas etapas do processo de conformação. A matéria-prima, que caracterizada no estado recozido apresentou dureza de 51 HV, passou a 69 HV após ser forjada à quente, com um incremento de dureza da ordem de 35,3 %. A máxima deformação verdadeira obtida pela peça no processo de forjamento foi de ϕ = 0,57, o que é uma deformação relativamente elevada, o que pode explicar esse significativo aumento de dureza do material. Após ser tratada termicamente, a peça adquiriu então dureza final de 115 HV, representando um acréscimo de dureza de 66,6 % em relação à peça conformada sem tratamento. A ferradura comercial importada foi caracterizada com uma dureza de 101 HV. Fazendo-se um comparativo entre a ferradura tratada produzida neste estudo e a ferradura importada, podemos observar que a peça produzida obteve uma dureza 13,8 % maior que a similar importada.
Segundo dados retirados do ASM Metals Handbook(8) , a dureza esperada para a liga AA 6351 após tratamento térmico T6 é de 95 HB ou 107 HV. Obtendo-se um resultado experimental de 115 HV após o tratamento térmico, pode-se afirmar que o mesmo foi efetuado a contento. Da mesma maneira, para a ferradura importada, a referência citada anteriormente aponta dureza após T8 de 82 HB ou 92 HV. Nota-se
também neste caso um resultado considerado bom quanto à efetividade do tratamento térmico.
Análise metalográfica
As imagens obtidas pela metalografia da amostra 1 (matéria-prima) revelou a presença de precipitados poligonais, com distribuição homogênea na matriz do alumínio, bem como algumas porosidades na liga, conforme revela a macrografia não atacada na figura 8.
Figura 8 – Amostra 1, não atacada.
A análise da amostra 2 (imediatamente após conformação) nota-se o aparecimento de precipitados esféricos nas regiões mais superficiais na peça, onde a deformação foi mais acentuada (figura 9), uniformemente distribuídos pela amostra. Na região central da peça, onde o grau de deformação é menor, encontramos ainda alguns precipitados de morfologia poligonal (figura 10) em tamanho bastante superior que os de formato esférico.
Na amostra após tratamento térmico T6 (figuras 11 e 12), pode-se notar pela análise metalográfica a presença de precipitados predominantemente esféricos, tanto na superfície da peça (figura 11), quanto nas regiões intermediárias (figura 12).
A peça comercial importada também foi caracterizada metalograficamente. Na figura 13 é revelada a existência também de poros no material. Na figura 14, atacada com reagente Keller, pode-se notar a presença de precipitados tanto esféricos quanto poligonais dispersos homogeneamente na matriz do alumínio. Não foram encontradas diferenças na estrutura desta peça nas regiões superficial e intermediária, o que é considerado coerente, já que a peça foi analisada já em seu estado tratado termicamente.
Figura 13 – Amostra 4, não atacada. Figura 14 – Amostra 4, região superficial da peça, ataque Keller.
Com os reagentes empregados (Keller, HF e CuCl) não foi possível analisar via metalografia os contornos de grão das ligas de alumínio estudadas, o que impossibilitou o estudo da distribuição do tamanho de grão em função da deformação aplicada.
CONCLUSÕES
Observou-se neste estudo um aumento de dureza da liga de 35,3 % da matéria-prima em relação à peça forjada e 118,5 % da matéria-matéria-prima em relação à peça tratada termicamente. Adicionalmente, pôde-se notar uma diferença morfológica dos precipitados nas regiões de maior e menor deformação logo após a conformação, sendo menores e esferoidizados na região mais deformada e maiores e poligonais nas regiões de menor deformação.
Após o tratamento térmico T6, finalizou-se a mudança na morfologia dos precipitados em função da aplicação de deformação plástica e temperatura, passando de predominantemente poligonal na matéria-prima, para predominantemente esférico após o processo. Finalmente, a peça forjada no estudo apresentou dureza final 13,8 % superior a sua similar no mercado, de origem americana.
AGRADECIMENTOS
São deixados agradecimentos ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e ao FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) pelo apoio financeiro aos projetos de forjamento do laboratório de Transformação Mecânica (LdTM/UFRGS).
REFERÊNCIAS
1 SMITH, W. Structure and properties of engineering alloys. New York, 1993.
2 ZITZ, U. Die forged engine and automotive components from high performance
aluminum. À publicar em: SENAFOR, XXVI, Porto Alegre, 2006. Anais do congresso.
3 LOUREIRO FILHO, L. C., CARDOSO, J. O. Por um Brasil mais competitivo, Revista
4 RANDON, V., NETO, V. P., Ligas avançadas utilizadas no desenvolvimento de peças
para a industria aeronáutica empregam processos sofisticados , Revista Metalurgia e Materiais, Caderno Técnico, Out/2005, pg 591-593.
5 SHAN, D., LIU, F., XU, W., LU, Y., Experimental study on process of precision forging
of aluminum-alloy rotor. Journal of Materials processing Technology, 170, pg 412 – 415,2005.
6 OLIVEIRA R. A, KOELLER L. A. SCHAEFFER L. Evaluation of two
commercially-available lubricants by means of ring test to AA 6061 F aluminum alloys, Revista Materials Research, vol.6 no.4 São Carlos Oct./Dec. 2003
7 ADLOF, W. W., Schimiedeteile aus Aluminium Legierungem, Schimiede Journal,
Março/1999, pg 16-20.
8 ASM METALS HANDBOOK, Vol 2, Properties and selection: Nonferrous Alloys
and Specials-Purpose Materials, pg. 195, 10ª Edição, 1990.
STUDY OF MICROSTRUCTURE AND HARDNESS OF ALUMINUM ALLOY AA 6351 AFTER FORGING AND HEAT TREATMENT
ABSTRACT
This project refers on hardness and microstructure characterization of aluminum alloy AA6351 in three different moments of forging process: the billet no-forged, the workpiece and the workpiece after heat treatment T6. The workpiece in question is a horseshoes used in competitions. The grain size distribution is availed in function of the gradient of deformation and the morphology of the precipitates, through metallographic technique. The hardness is characterized with Vickers hardness. These characteristics are confronted with de characteristics of commercial imported horseshoes. The tools used in the process are also showed.
