Compósitos Al-Al com ligas de alta resistência, trabalhadas plasticamente
A união segura de insertos e fundidos, ambos fabricados em ligas de alumínio, é prejudicada pela formação natural de óxido de alumínio. Para a solução do problema, os autores desse trabalho sugerem a aplicação de uma camada de zinco sem corrente elétrica. As vantagens desta técnica são apresentadas a seguir.
Jonathan Wedler, Mathias Schwankl e Carolin Körner
Data: 24/11/2016
Edição: FS Novembro 2016 - Ano - 27 No 287
Compartilhe:
Fig. 1 Micrografia da superfície da placa antes e depois do processo do zincado. As superfícies revestidas mostram várias grossuras do cristal de zinco, em função dos elementos de liga utilizados.
O alumínio se torno um importante material, contribuindo para isso a sua baixa densidade, alta resistência específica, rigidez, boa resistência à corrosão e excelente comportamento de conformação.
Mesmo assim, os requisitos aumentam constantemente, a exemplo dos componentes estruturais fundidos sob pressão para o setor automotivo, que devem ter grande superfície e satisfazer a requisitos rigorosos (alta resistência, elevada estabilidade dinâmica, boa soldabilidade e reservas de segurança no caso de colisões).
Nesse sentido, os compósitos oferecem um potencial muito grande.
A combinação de diferentes materiais em um único componente possibilita a obtenção de propriedades locais adaptadas à carga.
As propriedades mecânicas das ligas de alumínio de alta resistência, trabalhadas plasticamente, podem enriquecer significativamente a gama de propriedades dos componentes fundidos sob pressão, gerando liberdades de projeto maiores.
Desafios
Um pré-requisito para a combinação ideal de diferentes materiais em um é a execução de ligações seguras e permanentes entre eles.
Além das uniões positiva e por fricção, na fundição sob pressão ainda é possível obter uma ligação intermetálica, que pode ser realizada por meio do vazamento (injeção) de um componente fundido ao redor de um inserto metálico.
A camada natural de óxido de alumínio representa um desafio no campo da fundição sob pressão de alumínio-alumínio (Al-Al). Ela impede a formação de uma área de difusão e/ou reação e, consequentemente, a formação de uma ligação intermetálica devido à sua alta estabilidade termodinâmica no contato com o banho fundido.
Este problema pode ser resolvido com uma camada de zinco, que é aplicada via tratamento com zincato. Desta forma, a camada de óxido é removida e o alumínio é protegido contra a reoxidação pelo zinco.
O inserto de alumínio é revestido pelo banho fundido de alumínio depois do revestimento, pois o zinco forma uma região de reação com o banho fundido de alumínio.
A tabela lista as principais vantagens da camada de zinco, em comparação com a camada natural de óxido de alumínio.
Tecnologia de revestimento A aplicação do zincato
Fig. 2 Resultado do teste de cisalhamento sob pressão. Os insertos testados foram fundidos com temperaturas de 680°C a 740°C.
Trata-se de uma reação redox (redução-oxidação) sem corrente elétrica externa, por meio da qual ocorre a oxidação de alumínio e a redução de zinco.
Como resultado, o alumínio é dissolvido em razão da imersão em vários produtos químicos e o zinco é depositado na superfície.
Este processo é utilizado principalmente para produzir uma camada intermediária em um substrato, com a finalidade de possibilitar um revestimento deste com outros metais.
A deposição de níquel sem corrente elétrica externa é frequentemente utilizada, melhorando a resistência à corrosão e a resistência ao desgaste de componentes de alumínio.
No processo de aplicação de zincato, os insertos são submetidos inicialmente a um jateamento com areia e partículas de carbeto de silício, a uma pressão de 2 bar. Esta etapa serve para a ampliação da superfície, possibilitando uma melhora dos resultados de revestimento.
Para prevenir uma eventual contaminação dos banhos no processo de aplicação de zincato, os insertos são submetidos a uma limpeza ultrassônica de 15 min em acetona, após o jateamento com areia. Em seguida, as amostras são lavadas com água desmineralizada e secas com um aparelho de ar quente.
O teste de revestimento propriamente dito é realizado no trabalho aqui descrito por meio do banho de zincato Nical EA (RIAG Oberflächentechnik AG, Suíça).
O processo de aplicação de zincato é realizado frequentemente duas vezes. Isso porque a qualidade da camada de zinco não é suficiente para determinadas ligas, em termos do grau de revestimento e da força de aderência após uma aplicação simples.
Pela dissolução parcial ou remoção completa dos cristais de zinco primários, é possível melhorar os resultados. Neste caso, os cristais de zinco parcialmente atacados servem como formadores de germes de nucleação, permitindo a formação de uma camada de zinco mais homogênea e aderente no substrato na segunda etapa do revestimento.
É necessário observar que os parâmetros de revestimento na aplicação do zincato devem ser adaptados a cada liga de alumínio, em razão dos seus diferentes potenciais eletroquímicos.
Fabricação de amostras compósitas de Al-Al
Os testes de injeção foram realizados em uma instalação de fundição sob pressão com 458 t de força de fechamento, utilizando a liga de alumínio AlSi9Cu3(Fe).
Para os insertos, foram usadas as ligas de alumínio dos grupos 2XXX (EN AW-2017 A – AlCu4MgSi) e 5XXX (EN AW-5083 – AlMg4,5Mn0,7 e EN AW5754 – AlMg3).
O revestimento dos insertos das ligas de alumínio AlMg4,5Mn0,7 e AlMg3 foi efetuado com uma solução de 25% de Nical EA, enquanto o revestimento dos insertos da liga AlCu4MgSi foi feito com o concentrado puro de Nical EA.
Para os insertos das ligas AlCu4MgSi e AlMg3, foi utilizado o processo de aplicação de zincato duplo.
Na liga de alumínio AlMg4,5Mn0,7, foram alcançados resultados de revestimento satisfatórios com uma aplicação simples de zincato. Neste ponto, deve-se notar que os teores de zinco aplicados eram pequenos, pois a camada era muito fina (±500 nm).
Os insertos das ligas de alumínio trabalhadas plasticamente (AlCu4MgSi, AlMg4,5Mn0,7 e AlMg3) foram fabricados em chapas com dimensões de 100 × 30 × 1 mm.
Elas tinham dois furos, para o posicionamento exato dos insertos na ferramenta de fundição sob pressão. Com isso, foi possível colocar os insertos nos pinos de retenção, na meia-matriz fixa.
O posicionamento na ferramenta fechada foi realizado por metais expandidos, que foram soldados em cima das chapas.
Uma pequena sobremedida, em comparação com a espessura de parede da peça fundida, garante que as amostras sejam fixadas entre as metades da ferramenta.
O vazamento ao redor de todos os insertos foi efetuado com a ferramenta a 190°C. A espessura de parede das peças fundidas alcançou 4 mm.
Foram variadas as temperaturas de vazamento (680°C, 710°C e 740°C), assim como as velocidades do pistão de injeção (2, 3, 4 e 5 m/s).
A influência da quantidade de calor introduzida sobre a formação da ligação intermetálica foi analisada em função da variação dos parâmetros.
Ensaios
Para examinar a influência dos parâmetros de injeção sobre as propriedades mecânicas das amostras compósitas, foram realizados testes de cisalhamento sob pressão e de flexão de três pontos.
Fig. 3 A) O compósito com componente de chapa da liga de alumínio AlMg4,5Mn0,7 apresenta uma deformação plástica na região de contato com o pistão. B) Amostra com componente da chapa de alta resistência, que foi cisalhada praticamente sem deformação plástica no componente fundido.
Teste de cisalhamento sob pressão
O teste de cisalhamento sob pressão serve para a determinação da força de adesão.
Para isso, foram extraídas amostras com dimensões de 20 × 8 mm, a partir de placas.
As medições foram realizadas em uma máquina de teste universal. O avanço do cabeçote transversal da máquina foi ajustado para 0,2 mm/min.
A tensão de cisalhamento foi determinada da seguinte maneira, considerando-se a força introduzida e a seção de cisalhamento:
A tensão máxima de cisalhamento (ts,máx) para os insertos das s,máx ligas AlMg4,5Mn0,7 e AlMg3 foi determinada a partir da força máxima Fmax. , através da área da seção transversal (A), depois de um curso de deslocamento de 1 mm do cabeçote transversal.
Fig. 4 Resistência máxima da superfície de contato para o compósito da liga de alumínio AlCu4MgSi. A tensão de cisalhamento foi determinada com velocidades do pistão de injeção de 2 a 5 m/s.
Fig. 5 Representação da força máxima atuante no compósito da liga de alumínio Al Cu4MgSi, obtida no teste de flexão de três pontos
A tensão de cisalhamento para a liga de alumínio AlCu4MgSi foi determinada a partir da força máxima real, que foi medida antes da falha da ligação.
Teste de flexão de três pontos
Para a determinação da força de adesão, foram medidas as forças máximas e o curso de deslocamento máximo do cabeçote transversal, que foram suportados pelos respectivos compósitos, fundidos com diferentes parâmetros.
Tratamento térmico
Fig. 6 Apresentação de imagens de microssondas de diferentes combinações de compósitos, variando-se as temperaturas de vazamento e as velocidades do pistão de injeção. Nas amostras fundidas a 740°C, foi executado um tratamento térmico (1 h, 370°C, resfriamento em água), para a homogeneização da estrutura.
As amostras eram recortes extraídos das placas fundidas, com as medidas de 20 × 8 mm.
Depois do tratamento térmico de 60 min a 370° C, foi realizado um resfriamento brusco no banho de água, à temperatura de 20°C.
A temperatura do tratamento térmico foi escolhida de modo a se obter uma difusão mais alta possível do zinco.
Com 370°C, a temperatura do tratamento térmico apresenta uma faixa de segurança cerca de 10°C abaixo da temperatura do eutético da liga de alumínio Al-Zn.
A análise da composição da interface foi realizada em um segmento da imagem de 60 x 100 mm, por meio de medições com microssondas em micrografias da seção transversal, com uma tensão de aceleração de 20 kV e tempo de medição de 200 ms.
Resultados
Comportamento do revestimento das ligas de Al
O objetivo do revestimento dos insertos é proteger as superfícies contra a reoxidação.
A figura 1 mostra imagens dos insertos sem tratamento e revestidos (estado de fundição), feitas em um microscópio eletrônico de varredura.
É evidente que ocorre a formação de diferentes morfologias nas suas camadas. Esse comportamento pode ser atribuído aos potenciais de tensão da liga.
As ligas com elementos mais nobres, tais como o cobre, inibe a deposição de zinco. Por esse motivo, os cristais de zinco são produzidos a uma velocidade de crescimento menor e uma taxa de crescimento reduzida.
O manganês e o magnésio, por outro lado, favorecem a deposição de zinco sem corrente elétrica externa.
Assim, um tratamento simples com zincato, no caso de altos teores de magnésio, já é suficiente para produzir a camada de zinco necessária para a fundição sob pressão de compósitos.
Os testes de revestimento têm mostrado que uma adaptação específica das etapas de revestimento individuais para cada liga é essencial para produzir uma camada de zinco extensa e aderente nos insertos, principalmente em relação aos tempos de imersão.
Teste de cisalhamento sob pressão Determinação da resistência interfacial
A figura 2 mostra as tensões de cisalhamento determinadas para as amostras fundidas compósitas, com os insertos das ligas de alumínio AlCu4MgSi, AlMg4,5Mn0,7 e AlMg3. Foram utilizadas temperaturas de vazamento variadas (680°C, 710°C e 740°C).
Em todas as combinações, fica evidente que a temperatura de vazamento exerce pouca ou nenhuma influência sobre as tensões de cisalhamento determinadas.
Em relação aos resultados obtidos nas amostras das ligas de alumínio AlMg4,5 Mn0,7 e AlMg3, é necessário observar que a força introduzida através do pistão resulta em uma deformação plástica, com um curso de deslocamento do cabeçote transversal de 1 mm.
Portanto, não é possível chegar a uma afirmação absoluta sobre a resistência interfacial das amostras das ligas de alumínio AlMg4,5Mn0,7 e AlMg3.
Mesmo assim, a interface é capaz de suportar solicitações maiores do que o limite de escoamento do respectivo componente da chapa.
A figura 3 apresenta as amostras das ligas AlMg4,5Mn0,7 e AlCu4MgS, pouco antes do final do teste.
A amostra da liga AlMg4,5Mn0,7 apresentou uma deformação plástica claramente visível, em comparação com a outra.
Já a amostra da liga AlCu4MgSi revelou um grau de deformação plástica significativamente menor. Isso permite uma avaliação da resistência interfacial, pois as forças introduzidas agem sobre toda a interface. Neste caso, o material compósito alcançou tensões de cisalhamento de 67 MPa.
O pequeno aumento da resistência ao cisalhamento, com a temperatura de vazamento de 740°C, pode ser explicado com uma difusão levemente melhor na interface e pela ligação aprimorada resultante.
A figura 4 mostra os resultados dos testes da tensão de cisalhamento para as amostras da liga de alumínio AlCu4MgSi, com diferentes velocidades do pistão de injeção. A 2 m/s e 5 m/s, são alcançadas tensões de cisalhamento mais elevadas.
É possível calcular um tempo de enchimento da matriz em torno de 30 ms. Esse é o tempo de injeção ideal para a liga de alumínio AlCu9Si3, com espessura de parede mínima de 2 mm.
A geometria do componente fundido apresenta uma espessura de parede semelhante na região periférica, o que pode resultar na formação de uma área de reação mais uniforme. A causa disso é provavelmente um enchimento da cavidade mais calmo. Portanto, pode ser esperada uma ligação intermetálica homogênea em todo o inserto.
Com uma velocidade do pistão de injeção de 5 m/s, no entanto, o tempo de enchimento da matriz é mais curto e a perda de calor é menor, o que resulta em uma zona de reação maior. Isso explica as tensões de cisalhamento mais altas.
Teste de flexão de três pontos Determinação da tensão interfacial
Diferentes combinações de compósitos também foram examinadas no teste de flexão de três pontos, em função da variação das temperaturas de vazamento e das velocidades do pistão de injeção.
Nota-se que as propriedades mecânicas das amostras fundidas podem ser melhoradas por meio da utilização de diferentes combinações de materiais.
A figura 5 apresenta a força máxima aplicada nas combinações de materiais no teste de flexão de três pontos. Trata-se dos resultados das séries de fundição, que foram realizadas na temperatura de vazamento de 740°C, com a velocidade do pistão de injeção de 2 m/s.
O emprego de ligas trabalhadas plasticamente resulta na obtenção de forças máximas parecidas com aquelas da amostra fundida pura. Esse efeito pode ser explicado pelo fato das altas resistências das ligas trabalhadas plasticamente impedirem o início e a propagação de trincas nas áreas sujeitas a esforços de tração.
A resistência extremamente alta, o comportamento frágil e o pequeno alongamento da liga de alumínio AlCu4MgSi impedem o início e a propagação das trincas na liga de fundição, dentro de uma ampla faixa e forças.
O fator decisivo para a resistência dos materiais compósitos é uma interface homogênea, com uma ligação intermetálica entre o material do inserto e a matriz fundida.
Uma interface não homogênea provoca a falha prematura do material compósito, pois a área reduzida resultante, submetida à carga, deve suportar uma tensão mais alta.
Análise da interface
A figura 6 mostra imagens de microssondas de diferentes combinações de compósitos, variando-se a temperatura de vazamento (680°C e 740°C) e a velocidade do pistão de injeção (2 e 5 m/s).
Um fato importante nas amostras sem tratamento térmico é que uma difusão do zinco pode ser observada principalmente em direção à matriz fundida.
A influência da temperatura de vazamento e da velocidade do pistão de injeção não é reconhecível nas amostras. Isso está relacionado com os resultados do teste mecânico, no qual foi constatada uma pequena influência dos parâmetros.
No entanto, a influência do tratamento térmico T4 é claramente reconhecível. Com ele, é possível ajustar a difusão de zinco além da interface original e, portanto, a composição da interface.
A alta solubilidade do zinco na matriz de alumínio possibilita o ajuste de uma área de ligação completamente homogênea.
Durante a homogeneização, é necessário observar que tanto o tempo necessário, como a temperatura, dependem fortemente da espessura da camada de zinco.
Além disso, a liga fundida e também a trabalhada plasticamente podem ser submetidas a um tratamento térmico.
Conclusões
Este trabalho demonstrou que as ligas de alumínio dos grupos 2XXX e 5XXX (trabalhadas plasticamente) podem ser unidas com sucesso com a liga para fundição sob pressão AlSi9Cu3(Fe), visando-se a um material compósito com ligação intermetálica.
O fator essencial para a formação da ligação intermetálica é a substituição da camada de óxido natural nos insertos, o que pode ser executado por meio de uma camada de zinco.
Isso permite a formação de uma zona de difusão/reação entre o banho de metal e o componente sólido, possibilitando a formação de um material compósito com ligação intermetálica.
Os testes de injeção mostraram que as influências dos parâmetros de injeção nas áreas examinadas exercem uma influência secundária sobre as propriedades mecânicas e a formação da interface.
O emprego de ligas de alta resistência pode resultar em uma melhora significativa das propriedades do componente, enquanto o tratamento térmico permite o ajuste de áreas de ligação completamente homogêneas.
A camada de zinco muito fina, aplicada via zincato, resulta em teores de zinco dentro dos limites da norma, permitindo uma reciclagem seletiva, mesmo após o tratamento térmico.