ESTUDO DA MICROESTRUTURA E DA DUREZA DA LIGA DE ALUMÍNIO AA6351 APÓS O FORJAMENTO E TRATAMENTO...
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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 [email protected]
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.
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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.
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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.
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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
ϕϑϕϕϑ
⋅
⋅
⋅
=°∆
⋅
C
kfC
,,)( (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 se deve observar que em
nenhum local na peça sejam alcançadas fases líquidas.
Abaixo, a figura 2 exemplifica algumas peças obtidas por forjamento de ligas de
alumínio:
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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
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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.
Figura 7 – Tratamento térmico T6 imposto às peças.
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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
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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
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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.
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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.
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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-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).
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Alumínio, número V, ano II, 4 º trimestre de 2005, pg 14-16.
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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
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415,2005. 6 OLIVEIRA R. A, KOELLER L. A. SCHAEFFER L. Evaluation of two commercially-
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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.
Key-words: aluminum deformation, aluminum forging, horseshoes.
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