Controlo Microestrutural de Biletes de Alumínio para Extrusão

M 2016 ! ! CONTROLO MICROESTRUTURAL DE BILETES DE ALUMÍNIO PARA EXTRUSÃO FRANCISCO CARLOS BOIA MARTINS DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA À FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E MATERIAIS ORIENTADOR MANUEL FERNANDO GONÇALVES VIEIRA ii SUPERVISORA NA EXTRUSAL ENGª MARGARIDA MARTINS iii CANDIDATO Francisco Carlos Boia Martins Código 200907750 TÍTULO Controlo Microestrutural de Biletes de Alumínio para Extrusão DATA 29 de março 2016 LOCAL Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto — Sala F103 JÚRI Presidente Profª Laura Ribeiro Arguente Profª Ana Maria Pinto (DEM-EEUM) Orientador Pro. Manuel Vieira i Resumo O objetivo da presente dissertação foi estudar alguns parâmetros microestruturais de biletes de alumínio para extrusão, nomeadamente a camada de refusão, segregação inversa, tamanho de grão e percentagem de transformação dos intermetálicos ! em ". Foram analisadas e comparadas amostras de biletes da liga 6060 de 3 fornecedores diferentes. Estes biletes apresentavam-se no estado homogeneizado tal como são recebidos pela Extrusal. A camada de refusão foi medida por microscopia ótica com assistência a software específico. A segregação inversa foi analisada por Microscópia Eletrónica de Varrimento de alta resolução, com Microanálise por Raios X (SEM/EDX). O tamanho de grão foi analisado através de microscopia ótica e quantificado através do software LAS. A percentagem de transformação dos intermetálicos AlFeSi foi calculada pela percentagem relativa de alfa. As duas fases intermetálicas foram diferenciadas pelo fator de forma crítico. Foram ainda estudadas outras formas de caracterização destes intermetálicos, nomeadamente através da composição química e pela determinação da estrutura cristalina. Foram também realizados ensaios de dureza. Os valores da camada de refusão dependem do fornecedor e variam entre 70 µm e 100 µm. Relativamente à percentagem de transformação dos intermetálicos AlFeSi, a maior percentagem medida foi de cerca de 96% e a menor de 86%, sendo esta inferior ao mínimo aceitável segundo as Best Pratice de um dos principais fabricantes mundiais de biletes de alumínio. ii iii Abstract The main objective of this work was to study some microstructural parameters of aluminium extrusion billets, such as shell zone, inverse segregation, grain size and ! to "#intermetallics#transformation#rate.# There were analysed and compared samples of 6060 alloy billets from 3 different supplyers. Those billets were in the homogenized state as they are received in Extrusal. The shell zone was measured by optical microscopy assisted with image analysis software. Inverse segregation was analysed by high resolution Scattering Electron Microscopy, with X-Ray Microanalysis (SEM/EDX). Grain size was analysed by optical miscroscopy and quantified with LAS software. The intermetallic transformation rate was achieved by quantifying the " fraction rate. Both fases were distinguished trough a critical aspect ratio. There ware also studied other characterization techniques, by its chemical composition and by its cristal structure. There were also performed hardness tests. Shell zone thickness varies from 70 to 100 µm, depending on the supplyer. The major transformation rate was of 96 %, while the minor 86 % wich is just under the minimum value given by the Best Pratice of one of the major alluminium billets producer worldwide. iv v Índice Resumo'.................................................................................................................................................'i! Abstract'.............................................................................................................................................'iii! Índice'...................................................................................................................................................'v! Lista'de'Figuras'............................................................................................................................'viii! Lista'de'Tabelas'................................................................................................................................'x! Abreviaturas'e'Símbolos'..............................................................................................................'xi! 1!Objetivos'......................................................................................................................................'1! 2!Introdução'..................................................................................................................................'2! 2.1!Alumínio'e'as'ligas'6xxx'...............................................................................................................'2! 2.2!Produção'de'perfis'de'alumínio'................................................................................................'5! 2.3!Extrusão'de'alumínio'na'Extrusal'............................................................................................'6! 2.4!Vazamento'........................................................................................................................................'8! 2.5!Homogeneização'..........................................................................................................................'10! 2.6!Intermetálicos'AlFeSi'.................................................................................................................'10! 2.6.1!Fase!!!monoclínica!................................................................................................................................!11! 2.6.2!Fase!αh!hexagonal!...................................................................................................................................!11! 2.6.3!Fase!αc!cúbica!...........................................................................................................................................!11! 2.6.4!Influência!da!composição!química!na!taxa!de!transformação!............................................!13! 2.6.5!Caraterização!de!Intermetálicos!......................................................................................................!13! 2.7!Camada'de'Refusão'e'Segregação'Inversa'...........................................................................'17! 2.8!Controlo'de'Qualidade'na'Extrusal'........................................................................................'20! 2.9!Best'Pratice'....................................................................................................................................'20! 2.9.1!Tamanho!de!Grão!...................................................................................................................................!21! 2.9.2!Segregação!Inversa!e!Camada!de!Refusão!...................................................................................!21! 2.9.3!Transformação!do!Intermetálico!!!em!"!.....................................................................................!21! 3!Materiais'e'Métodos'.............................................................................................................'22! 3.1!Ligas'6060'......................................................................................................................................'22! 3.2!Amostragem'..................................................................................................................................'22! 3.3!Preparação'Metalográfica'.........................................................................................................'23! 3.4!Ensaios'de'Dureza'........................................................................................................................'24! 3.4.1!Dureza!Brinell!..........................................................................................................................................!24! 3.5!Microscopia'Ótica'........................................................................................................................'25! vi 3.6!Microscopia'Eletrónica'de'Varrimento'(SEM)'....................................................................'26! 3.6.1!EDX!...............................................................................................................................................................!26! 3.6.2!EBSD!............................................................................................................................................................!26! 4!Análise'de'Resultados'..........................................................................................................'27! 4.1!Durezas'............................................................................................................................................'27! 4.2!Caracterização'de'Grão'..............................................................................................................'30! 4.3!Fator'de'Forma'.............................................................................................................................'35! 4.4!Camada'de'Refusão'e'Segregação'Inversa'...........................................................................'36! 4.5!Caracterização'de'Intermetálicos'..........................................................................................'44! 4.6!Fator'de'Forma'.............................................................................................................................'47! 5!Conclusões'...............................................................................................................................'49! 6!Sugestões'de'Trabalho'Futuro'..........................................................................................'50! 7!Bibliografia'..............................................................................................................................'51! 2 2 Introdução 2.1 Alumínio e as ligas 6xxx O alumínio é o metal mais abundante e o terceiro elemento mais frequente na crosta terrestre. Graças às suas características, sintetizadas na Tabela 1, tem vindo a ser crescentemente utilizado em aplicações de engenharia e na construção, desde a descoberta do processo de Hall para a extração de alumínio em 1886. As Figura 1 e Figura 2 referem-se à evolução da produção primária e aplicações finais por sector do alumínio. É de referir que para além de ser relativamente barato comparado com outros metais, a sua resistência específica é muito interessante já que permite ter estruturas leves e simultaneamente resistentes. Após extraído a partir da bauxite natural (principal mineral que o contêm), o alumínio pode ser ligado com outros elementos metálicos, originando diferentes ligas. Tabela 1 - Propriedade Gerais de Alumínio Baixa massa volúmica: 2,7 g / cm3 Elevada resistência à corrosão atmosférica Módulo de Elasticidade: 70.000 MPa Ponto de fusão moderado: 660ºC Elevada condutibilidade elétrica e térmica Bom poder refletor Não tóxico Reciclável 3 Figura 1 - Histograma da produção primária de Alumínio por regiões e países [1]. Figura 2 - Aplicação do alumínio por sectores na Europa [2]. As ligas podem ser de conformação plástica ou de fundição, sendo que as de conformação plástica são designadas por quatro dígitos. O primeiro indica o elemento de liga principal, o segundo as modificações na liga original, e os últimos dois a composição química, exceto para a série 1xxx em que indicam o grau de pureza da liga já que é de alumínio comercialmente puro. As principais aplicações e algumas propriedades mecânicas das séries supramencionadas são apresentadas de forma geral na Tabela 2 [3]. 4 Tabela 2 - Ligas de Alumínio e suas Aplicações [3]. Série Composição Rp 0,2 (MPa) Rm (MPa) A % Aplicações 1xxx Al Puro 30 100 100 135 Até 50 Folhas de Alumínio, decoração, painéis para arquitetura, condutores elétricos 2xxx Até 4,5% Cu (+Mn, Si, Mg) Endurecível por precipitação Até 480 Até 520 5-20 Estruturas para indústria aeroespacial 3xxx Até 1% Mn, Mg Endurecível por deformação Até 215 Até 290 5 Embalagens de alimentos (latas), radiadores 4xxx 12% Si (+Mg, Ni, Cu) Endurecível por precipitação ~295 ~325 0,5 Ligas de brasagem, elétrodos de soldadura 5xxx Até 5% Mg (+Cr, Mn) Endurecível por encruamento Até 350 Até 415 15 Indústria naval e de transporte 6xxx Até 1,5% Mg, Si Endurecível por precipitação ~275 ~310 12 Perfis extrudidos, caixilharia e estruturas de veículos 7xxx Até 8% Zn (+Mg, Cu, Cr) Endurecível por precipitação 500 575 11 Ligas de elevada resistência mecânica 8xxx Outras, ligas Al-Li Endurecível por precipitação n/d n/d n/d Ligas especiais As ligas da série 6xxx são ligas cujos principais elementos de liga são o magnésio e o silício. Estas ligas são as preferidas para extrusão de biletes de alumínio devido à sua elevada capacidade de deformação plástica associada a uma boa resistência à corrosão e resistência mecânica específica. São também preferidas por serem endurecíveis por precipitação, através de tratamento térmico de envelhecimento. Apesar da construção, nomeadamente caixilharia, representar um dos mercados maiores para esta indústria, estas ligas têm cada vez maior importância em aplicações com elevada exigência de tolerâncias geométricas, de qualidade superficial e de propriedades mecânicas. Estas qualidades são particularmente relevantes na indústria automóvel, mas também na indústria marinha, militar e aeroespacial. Apesar de os principais elementos de liga serem o magnésio e silício, a sua composição química contém mais elementos, como o hidrogénio e outros que podem ser vestígios do processo de extração, como ferro, sódio, lítio, cálcio, titânio, 5 vanádio ou crómio, e ainda alguns compostos como óxidos, nitratos e carbonatos. Alguns dos elementos, como o crómio, o titânio e o lítio, podem ser adicionados posteriormente já que desempenham um papel importante na melhoria de algumas propriedades. Outros elementos que podem ser adicionados com vista a melhorar a liga são o manganês, zircónio e escândio que atuam como refinadores de grão, melhorando a resistência mecânica [4]. Um dos fatores de maior importância nestas ligas é o rácio entre o magnésio e o silício. A presença do Mg2Si é o principal responsável pelo endurecimento através do tratamento térmico de envelhecimento. Este composto tem um rácio Mg/Si de 1,73 e a adição destes elementos à liga é feita tendo em conta este fator. Normalmente um destes elementos encontra-se em excesso, quase sempre o silício. O excesso de silício melhora a resistência mecânica e a formabilidade, mas aumenta a tendência para a corrosão intergranular. Já o excesso de magnésio tem o efeito oposto. O Mg2Si dissolve-se na solução sólida a altas temperaturas, mas a redução da solubilidade a temperaturas inferiores faz com que precipite [4][5] . A presença de ferro reduz tanto a ductilidade como a tenacidade, pela formação de intermetálicos grosseiros formados com o alumínio e outros elementos, tais como cobre, níquel, manganês e silício [4]. A literatura refere, entre outros, os seguintes intermetálicos: FeAl3, Fe2SiAl8, FeMg3Si6Al8 e FeAl6. Neste trabalho serão abordados os intermetálicos AlFeSi mais importantes presentes nestas ligas e também a influência da composição química no seu processo de formação e transformação. 2.2 Produção de perfis de alumínio A produção de perfis de alumínio inicia-se no vazamento dos biletes que constituem a sua matéria prima. Após homogeneização, os biletes estão aptos a ser extrudidos, e posteriormente envelhecidos. Podem ainda ser tratados ou ter acabamentos superficiais. Um esquema da produção de perfis pode ser visualizada na Figura 3. Posteriormente irão ser pormenorizados as várias etapas do processo referidas. 6 Figura 3 - Esquema Temperatura vs Tempo dos ciclos térmicos de todo o processo de um produto extrudido. Desde o vazamento e homogeneização (na primeira imagem) ao processo de extrusão e posterior envelhecimento. 2.3 Extrusão de alumínio na Extrusal A extrusão de alumínio é um processo em que um bilete cilíndrico de alumínio é pressionado por uma prensa contra uma matriz originando produtos de secção constante. Na Extrusal são rececionados os biletes de alumínio de primeira fusão e armazenados por lotes consoante a liga e o fornecedor de onde proveio a matéria-prima. Existe um primeiro controlo de qualidade visual, dimensional e de confirmação dos certificados de qualidade que acompanham os biletes. Quando um determinado lote é selecionado para extrudir, os biletes são transportados para junto das rampas de alimentação e o processo inicia-se com uma limpeza simples da superfície para eliminação de sujidades e algumas impurezas superficiais que possam existir. Após a escovagem, os biletes entram no forno de pré-aquecimento onde são aquecidos de um modo mais homogéneo possível. Este forno funciona a gás e é constituído por três zonas de aquecimento permitindo um aquecimento gradual e evitando, por um lado, que o bilete fique exposto a temperaturas elevadas durante 7 um período de tempo prolongado, e por outro, gradientes térmicos. As temperaturas variam consoante a liga e o tipo de perfil a extrudir. À saída do forno os biletes são cortadas e transportados até ao contentor da prensa que se mantém aquecido a uma temperatura constante. Em seguida o bilete é extrudido. Antes da extrusão a matriz é também aquecida para evitar choques térmicos. À saída da matriz os perfis podem ser arrefecidos em ar ou água, dependendo da liga e do perfil. Normalmente o perfil é “puxado” por um puller, que garante uma velocidade de saída constante de forma a garantir um produto regular. Numa mesma série de produção, os perfis são extrudidos em contínuo, sendo cortados a cada bilete que é prensado. Este corte é precisamente feito da zona onde um bilete se junta ao anterior. O perfil, já cortado, é preso em ambas as pontas e esticado, de forma a que o perfil fique direito e sem curvaturas. As zonas junto às emendas dos biletes são eliminadas, uma vez que são zonas de maior heterogeneidade. Após passarem no banco de tração as barras são cortadas em barras de comprimento inferior e colocadas em contentores que são transportados para os fornos de envelhecimento, caso os perfis sejam envelhecidos, ou para a expedição. Os perfis, após o envelhecimento, podem ainda sofrer um tratamento de superfície de anodização ou lacagem, de acordo com os requisitos do cliente. As condições iniciais do bilete são cruciais para uma boa extrudabilidade e para um produto final com as propriedades e qualidades desejadas, desde as propriedades mecânicas, à resposta aos tratamentos térmicos e tratamentos de superfície posteriores, à qualidade superficial e à adesão de pinturas ou revestimentos. É então fundamental garantir que a matéria-prima da extrusão possuí determinadas características essenciais para um produto final sem defeitos mantendo uma boa produtividade. Estas características dependem naturalmente do processo de obtenção dos biletes de alumínio. Na Figura 4 é apresentado esquematicamente o processo de produção de um perfil de alumínio, numa linha de extrusão da Extrusal. 8 Figura 4 - Esquema de uma linha de extrusão da Extrusal. 2.4 Vazamento Apesar de haver mais que um método ou técnica de vazamento, o mais utilizado é o Direct Chill Casting (DC), que é utilizado desde 1930 na Alemanha, Estados Unidos da América e antiga União Soviética para fabricar biletes para extrusão e lingotes para laminagem. O princípio deste método consiste em dois passos, um arrefecimento direto no molde metálico, seguido de um arrefecimento com jatos de água diretamente na superfície. Pode visualizar-se um esquema do método na Figura 5. O metal líquido começa por ser vazado para um molde arrefecido por água, sendo que o fundo é uma base móvel descendente. Após o metal solidificar na base e junto ao molde lateral (arrefecimento primário), esta base começa a descer a uma velocidade constante (velocidade de vazamento) [6]. A camada sólida superficial, Shell Zone, vai-se formando junto ao molde, sendo que o metal liquido/semilíquido no interior é sustentado por esta camada já solidificada. O arrefecimento secundário ocorre logo após o bilete passar o limite inferior do molde, ao ser arrefecido por jatos de água, que são responsáveis por cerca de 95 % da extração de calor do bilete. O processo vertical acaba quando a base atinge o 9 fundo. O topo do bilete possui sempre defeitos de rechupe por ser a última zona a solidificar, sendo cortado no fim [6]. Figura 5 - Esquema de vazamento de biletes por Direct Chill [7]. Os melhoramentos que se têm vindo a desenvolver nesta técnica focam-se principalmente no arrefecimento primário, em que os moldes arrefecidos por água foram substituídos por técnicas que diminuíssem a severidade do arrefecimento. Estas alterações resultaram da necessidade de melhorar a extrudabilidade e qualidade dos produtos extrudidos pela melhoria da qualidade superficial e estrutural dos biletes. Atualmente a técnica base para uma superfície aceitável é através da utilização da passagem de ar (AirFlow) entre a superfície do bilete e a do molde, por um lado para obter uma camada de segregação menos espessa pela redução da severidade do arrefecimento, e por outro pela diminuição do contacto entre superfícies que provoca vários defeitos na superfície do bilete, tais como juntas frias e marcas de deslizamento [6]. Estes defeitos podem levar a fissuração dos materiais durante os processos subsequentes como a extrusão e laminagem. É necessário remover ou pelo menos reduzir esta camada superficial, sendo que é economicamente melhor produzir um bilete vazado já com uma superfície aceitável ao invés de ter que remover esta camada superficial numa etapa posterior. 10 2.5 Homogeneização A homogeneização dos biletes de alumínio tem como objetivo melhorar a extrudabilidade e consequente produtividade, bem como as propriedades mecânicas e qualidade superficial dos perfis extrudidos. O aquecimento até à temperatura de homogeneização, entre 530 e 600 °C, deve ser suficientemente lento para evitar a fusão de eutécticos grosseiros, cerca de 250 ºC/h, seguido de um estágio de cerca de 8 h. O arrefecimento deve ser também controlado sendo vulgares velocidades de arrefecimento de 200 ºC/h [8]. Na Figura 6 podem observar-se exemplos de ciclos de homogeneização de biletes de alumínio da liga 6xxx. 2.6 Intermetálicos AlFeSi O ferro é praticamente insolúvel na matriz de alumínio, pelo que se liga ao silício em excesso e ao próprio alumínio, que existe em abundância, formando intermetálicos, que constituem cerca de 1% da percentagem volúmica total. Estes intermetálicos formam-se, durante a solidificação, nos extremos das dendrites de alumínio, segundo uma reação eutéctica, o que justifica o seu aparecimento em forma de placa. A maioria destes intermetálicos, após solidificação, são constituídos pela fase intermetálica !-AlFeSi, sendo que pode formar-se também a fase cúbica αc-Al(Fe,Mn)Si, designada por “Chinese-Script-Like” ou seja, com uma morfologia semelhante à de um carater chinês. Estes intermetálicos não se dissolvem na matriz Figura 6 – Ciclos de homogeneização de biletes de alumínio [16]. 11 metálica de alumínio mesmo após longos períodos de homogeneização. Estes apenas se transformam, tanto em composição química como em morfologia [9]. 2.6.1 Fase ! monoclínica A fase !-AlFeSi tem uma estrutura cristalina monoclínica. Esta é a fase intermetálica predominante das estruturas de solidificação das ligas 6xxx. Apresenta uma morfologia em forma de placas com comprimentos até 20 µm e espessuras entre 0,1 a 1 µm. A estequiometria mais normal desta fase é Al5FeSi, sendo que esta não contém manganês, ao contrário do que acontece com as várias fases α. 2.6.2 Fase αh hexagonal A estequiometria da fase hexagonal é aproximadamente Al8Fe2Si com concentrações de ferro entre 30 e 33 %, e de Si entre 5 a 12 %. Esta fase forma-se nas ligas 6xxx com teores de manganês, crómio e vanádio inferiores a 0,01%. Maiores concentrações destes elementos levam à estabilização da fase cúbica αc, que está estruturalmente relacionada com a fase αh. Esta fase, mais estável, resulta da transformação a partir da fase !-AlFeSi durante o processo de homogeneização do produto vazado, quando as ligas são de elevada pureza. No entanto, nas ligas industriais, que possuem adições de manganês ou crómio, esta transformação raramente se observa, sendo que a fase !-AlFeSi se transforma normalmente na fase cúbica αc referida anteriormente [9]. 2.6.3 Fase αc cúbica Nas ligas de extrusão, são necessárias pequenas adições de vanádio, crómio e/ou manganês para formar a fase αc durante a homogeneização. Esta é a fase mais estável, observando-se mesmo para tempos longos de homogeneização. É necessária a presença de 1,5 % de manganês na fase para esta ser estável. Os átomos de ferro são substituíveis por átomos de vanádio, crómio e/ou manganês. A estequiometria desta fase é, de forma geral, Al15(FexMn1-x)3Si ou Al12(FexMn1-x)3Si2. Verificam-se gradientes de manganês nas partículas de ", provavelmente causadas pela difusão inversa durante o processo de homogeneização. 18 Figura 12 - Camada de refusão de uma liga 6063 [12]. Em biletes produzidos em condições de vazamento inadequadas ou com tecnologias mais antigas podem-se verificar diferenças significativas, visíveis a olho nu quando o bilete é atacado quimicamente. Na Figura 13 é mostrado um exemplo de um bilete com uma camada de refusão significativa (figura 13.a) e uma em que esta camada é praticamente inexistente (figura 13.b). (a) (b) Figura 13 - Diferenciação entre a) um bilete em que se nota a olho nu a camada de refusão, e b) um bilete vazado com a tecnologia AirSlip, onde não se observa qualquer camada de refusão.[13] 19 A variação da composição química à superfície foi objeto de diversos estudos (por exemplo, [6], [11], [14]). Num dos trabalhos, a medição é feita cortando, com um torno, camadas superficiais de uma bolacha de bilete, como se fossem segmentos de rodelas de cebola com 3-4 mm. Estas amostras são colocadas num prensa de 20 toneladas para serem endireitadas e analisadas num espectrómetro ótico de emissão, de forma a obter a composição química da amostra. O processo repete-se várias vezes. No entanto, normalmente recorre-se à análise por SEM/EDX para determinar a variação da composição. São feitas análises a diferentes distâncias da superfície; primeiro os incrementos são pequenos (10 µm) e depois são maiores (até 100 µm), medindo até 1 mm de profundidade. Na figura 14 é apresentado um gráfico demostrativo da composição química de uma liga 6063 homogeneizada e de uma zona sem defeitos superficiais. Na figura é evidente a existência de uma camada superficial (com cerca de 200 µm de espessura) mais rica em Fe, Si e Mg. Figura 14 - Perfil de composição química da superfície de um bilete homogeneizado de uma liga 6063 [14]. 20 2.8 Controlo de Qualidade na Extrusal A Extrusal é uma empresa certificada pelas normas ISO 9001 havendo um sólido Sistema de Gestão de Qualidade transversal a toda a empresa No que diz respeito ao Processo de Extrusão, são realizados diversos controlos de qualidade tanto na produção como no laboratório que apoia esta secção. No decorrer da extrusão são feitos ensaios de controlo de cotas, aspeto visual, peso e dimensões. Enquanto que os ensaios feitos na produção são realizados em todos os perfis extrudidos, no laboratório existe uma seleção que obedece a procedimentos internos definidos pela empresa. No laboratório podem ser realizados diferentes ensaios, nomeadamente ensaios de tração, dureza Brinell, rugosidade entre outros específicos de cliente. Nos tratamentos de superfície, uma vez que a Extrusal é certificada relativamente aos produtos de anodização e lacagem, são realizados os controlos exigidos pelas marcas Qualanod e Qualicoat, respetivamente. No Laboratório de Tratamento de Superfícies, são realizados diariamente análises aos banhos, ensaios destrutivos e não destrutivos em amostras que sofrem o mesmo tratamento que os perfis na lacagem e na anodização. 2.9 Best Pratice As Best Pratice são normas internas que algumas empresas ou grupos utilizam para avaliar e normalizar produtos e processos de forma a melhorar a produtividade e obter melhores resultados, isto é, reduzir as variações indesejadas dos processos de fabrico de forma a obter consistentemente um produto de elevada qualidade. No caso dos produtos são normalmente utilizadas quando não existem normas oficiais que avaliem ou regulem a qualidade de determinados parâmetros ou não sejam aplicadas a determinados produtos. Neste caso foi fornecido pela empresa o relatório de um estágio realizado numa empresa produtora de biletes de alumínio (ALCOA), que aborda precisamente este tema e que serviu de ponto de partida à atual dissertação. 21 No relatório, no que diz respeito aos biletes de alumínio, são referidos os seguintes parâmetros: Camada de refusão, segregação inversa, tamanho de grão, composição química e transformação do intermetálico ! em ". Para cada parâmetro é definida uma cor, verde, amarelo ou vermelho, conforme o valor desse parâmetro seja bom, aceitável ou mau, respetivamente. Nesta dissertação não é abordado o controlo da composição química uma vez que este já é feito na empresa de forma periódica. Abaixo são apresentados os métodos e valores apresentados no relatório supramencionado [15]. 2.9.1 Tamanho de Grão No que diz respeito ao tamanho de grão são considerados os seguintes valores: • O tamanho médio de grão é igual ou inferior a 135 µm = Verde. • O tamanho médio de grão é maior que 135 µm e menor ou igual a 150 µm = Amarelo. • O tamanho médio de grão é maior que 150 µm = Vermelho. • 2.9.2 Segregação Inversa e Camada de Refusão Os valores para a camada de segregação inversa são: • Segregação inversa menor ou igual a 250 µm e camada de refusão menor ou igual a 1,50 mm = Verde. • Segregação Inversa entre 250 µm e 300 µm e camada de refusão maior ou igual a 2,00 mm = Amarelo. • Segregação Inversa maior que 300 µm e a camada de refusão maior que 2,00 mm = Vermelho. • 2.9.3 Transformação do Intermetálico ! em " Para este parâmetro os valores considerados são: • Transformação de ! para α maior ou igual a 93% = Verde. • Transformação de ! para α menor que 93% e maior ou igual a 87% = Amarelo. • Transformação de ! para α menor que 87 % = Vermelho. 22 3 Materiais e Métodos 3.1 Ligas 6060 As ligas estudadas são todas ligas de alumínio da série 6xxx, mais especificamente 6060. As suas composições químicas são apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 - Composição química das ligas 6060 estudadas (Tabela cedida pela Extrusal). Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Pb OT A 0.400.45 0.180.22 0.02 0.03 0.400.45 0.02 0.02 0.02 0.1 B 0.400.45 0.170.22 <0.02 0.0250.035 0.400.45 0.01 0.02 0.02 0.15 C 0.450.50 0.160.22 0.025 0.030.06 0.370.42 0.02 0.025 0.02 0.01 0.1 3.2 Amostragem As amostras são cortadas em partes manuseáveis a partir de bolachas, que por sua vez, são secções transversais serradas de um bilete. A Figura 15 mostra um exemplo das bolachas referidas. Figura 15 - Bolachas serradas a partir de um bilete de alumínio. 23 As amostras da zona interior do bilete não necessitam ser montadas em resina já que as extremidades das mesmas não são relevantes. As amostras que visam estudar a superfície do bilete são montadas em resina de forma a que quando sofrem as operações de desbaste e polimento as extremidades, nomeadamente a que representa a superfície do bilete, esteja em condições para ser analisada, conforme mostra a Figura 16 Figura 16 - Amostras montadas. 3.3 Preparação Metalográfica A preparação das amostras é feita dependendo do objetivo e da zona que se pretende analisar. Todas as amostras são desbastadas com lixas de SiC com 180, 320, 600 e 1000 Mesh a 300 rotações por minuto e posteriormente polidas com suspensões de diamante de 6 e 1 µm desta vez a 150 rotações por minuto. São ainda polidas em solução de sílica coloidal 0,06 ou 0,03 µm de forma a obter uma superfície espelhada. Após o polimento, as amostras podem ser observadas diretamente em microscopia ótica ou atacadas ligeiramente com solução HF 0,5%, se se pretender visualizar os intermetálicos. Para caracterizar os grãos é necessário visualizar as suas fronteiras. Deste modo foram experimentados vários ataques químicos. O que mostrou melhores resultados, isto é, fronteiras de grão bem definidas, sem sobreataque da restante microestrutura, foi o reagente de Weak constituído por 100 mL de água destilada, 24 4 g de permanganato de potássio e 1 g de hidróxido de sódio. O tempo de ataque deve ser entre os 5 e os 10 segundos. Foram realizadas algumas experiências para visualizar a camada de refusão a olho nu ou através de lupa. A experiência foi feita atacando a amostra com água régia, solução de ácido clorídrico e ácido nítrico, em que se deveria verificar uma zona junto da superfície com uma cor diferente do interior do bilete (como na Figura 13). A reduzida espessura desta camada (cerca de 100 µm), não permitiu a sua observação desta forma. Verificou-se, no entanto, que é possível visualizar a camada de refusão ou a zona de segregação superficial sem ataque através de microscopia ótica, como se discutirá posteriormente. 3.4 Ensaios de Dureza 3.4.1 Dureza Brinell Foram feitos ensaios de dureza Brinell com uma carga de 31,25 Kg e indentador esférico de diâmetro 2,5 mm. Foram feitos 5 ensaios por cada distância à superfície, até ao interior da amostra como se pode ver na Figura 17. Os ensaios foram realizados no equipamento da Figura 18. Figura 17 - Amostras de meia-bolha para ensaios de dureza Brinell. Os pontos pretos são os locais de indentação. 25 Figura 18 – Durómetro. 3.5 Microscopia Ótica As amostras forma analisadas em microscopia ótica. Foram retiradas imagens das amostras sem ataque onde é possível visualizar os intermetálicos a negro. É possível também identificar e medir a camada de refusão, onde ocorre a segregação inversa, pela identificação de intermetálicos grosseiros. Ainda através da microscopia ótica foi possível identificar e registar imagens da microestrutura atacada com reagente de Weak, com as fronteiras de grão bem definidas. Através também da microscopia ótica, desta vez num microscópio LEICA e com assistência do software LAS, analisaram-se e quantificaram-se os intermetálicos nas várias amostras sem ataque. Através também deste software, e usando um módulo denominado grain expert, analisaram-se os grãos, em tamanho, forma e orientação, nas amostras atacadas. Este módulo reconhece através de análise de imagem as fronteiras de grão, no entanto, nem sempre as fronteiras são bem identificadas pelo que foi feita uma edição manual. Para cada amostra analisaram-se duas zonas, uma superficial e outra a cerca de 1 cm da superfície. Em cada zona analisaram-se cinco campos. 26 3.6 Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM) Foram analisadas 1 amostra de cada um dos lingotes por microscopia eletrónica de varrimento. Em cada uma obtiveram-se imagens da camada superficial e da zona mais afastada da superfície da amostra, assim como de alguns pormenores, como intermetálicos e outras inclusões. Esta parte do estudo foi realizada no CEMUP com um FEI Quanta 400 FEG ESEM/EDAX Genesis X4M. 3.6.1 EDX Esta técnica possibilita a análise de composição química por microanálise por raios X. É também gerado um ficheiro com diversos valores, nomeadamente da percentagem atómica e ponderal dos elementos analisados. 3.6.2 EBSD Foram feitas tentativas de análise EBSD, recorrendo às linhas de Kikuchi para identificar os intermetálicos pela estrutura cristalina. No entanto, não foi possível a obtenção de resultados com qualidade suficiente, uma vez que esta técnica é altamente sensível à preparação metalográfica. 27 4 Análise de Resultados Foram analisadas três amostras de biletes de ligas 6060 de três fornecedores diferentes. Estas amostras são da região superficial com cerca de 1 cm de espessura. Outras amostras semelhantes foram analisadas ao microscópio, no entanto apenas três foram selecionadas para a maioria das medições. Para as macrodurezas foram utilizadas meias bolachas dos biletes dos diferentes fornecedores. 4.1 Durezas Realizaram-se ensaios de dureza Brinell nas amostras de meia-bolacha dos biletes dos três fornecedores. No gráfico da Figura 19, pode visualizar-se o perfil de durezas Brinell das amostras. Este perfil abrange o bilete desde a superfície até ao interior do bilete. O primeiro valor a 0,2 cm da superfície não é totalmente viável pois a sua proximidade à superfície não garante a distância mínima normalizada, que deve ser 4 vezes o diâmetro da indentação que é aproximadamente de 0,5 a 0,6 mm. Ao observar o gráfico, pode notar-se que existe uma variação semelhante das durezas ao longo do perfil das três amostras. Apesar de ser notória, esta variação é relativamente pequena. Uma variação de 1 ou 2 HBW não é uma variação que vá ter grande impacto nas características mecânicas da liga. Notam-se também diferenças entre as amostras. As amostras do fornecedor A e C diferem apenas em uma unidade HBW, e de forma constante ao longo do perfil. Já a amostra do fornecedor B é mais dura em duas unidades HBW relativamente à segunda amostra com maior dureza, também de forma constante ao longo do perfil. 34 Pode então considerar-se que o número de tamanho de grão é superior na amostra do fornecedor B e, portanto, o tamanho de grão médio inferior. Entre as amostras dos fornecedores A e C a diferença não é significativa e consideram-se iguais. Tabela 7 – Comparação de médias de número de tamanho de grão entre zonas superficiais e interiores de cada amostra. Interior Superfície Teste-t N Média Dev Pad N Média Dev Pad Sig. A 114 4,96 1,84 127 4,89 1,86 0,774 B 156 5,29 1,71 170 5,28 1,87 0,974 C 81 4,70 2,03 95 5,04 2,45 0,327 Tabela 8 - Comparação de médias de número de tamanho de grão entre amostras par-a-par. Em cada amostra consideram-se conjuntamente os valores do interior e superfície. Levene Teste-t N Média Dev Pad Sig. Sig. A 241 4,92 1,85 A vs B 0,255 0,020 B 326 5,28 1,80 A vs C 0,069 0,851 C 176 4,89 2,26 B vs C 0,005 0,045 Apesar de analisados os valores do número de tamanho de grão, a grandeza que melhor descreve o tamanho de grão, ou que pelo menos é mais percetível de assimilar pelo observador é o diâmetro médio de grão. Este valor não é fornecido diretamente pelo software na folha excel gerada automaticamente, pelo que para o seu cálculo foi feito pela divisão por 2 da soma da largura e comprimento de cada grão (valores estes gerados automaticamente). Os valores dos diâmetros médios são apresentados na Tabela 9. Tabela 9 - Diâmetro médio de grão das amostras dos diferentes fornecedores (valores em µm). A B C Superfície 99,12 ± 53,04 86,14 ± 40,79 103,70 ± 64,81 Interior 97,86 ± 50,24 85,66± 42,48 109,69 ± 65,07 Comparando estes valores com os valores de dureza pode verificar-se, que tal como esperado pela equação de Hall-Petch, se verifica uma proporcionalidade inversa entre estes valores. A amostra C, por exemplo, é a que apresenta valores superiores 35 de tamanho de grão e apresenta também menor dureza. Isto verifica-se para as restantes amostras. Figura 24 - Relação de proporcionalidade quasi linear entre diâmetro do grão e 1/√HBW. 4.3 Fator de Forma O fator de forma é um parâmetro que visa caracterizar a forma de um dado elemento microestrutural. Neste caso é aplicado a grãos. Este parâmetro é o rácio entre o comprimento e a largura. Neste caso corresponde à razão entre o maior e menor diâmetros ortogonais medidos para um dado grão. Na Figura 25 pode verificar-se que a distribuição do fator de forma é genericamente semelhante entre a zona interior e superficial da amostra e raramente excede o valor de 2,5, sendo o valor médio aproximadamente 1,5. Na prática isto significa que os grãos não apresentam alongamentos significativos. Estas distribuições são semelhantes em todas as amostras. 36 Superfície Interior Amostra C Figura 25 -Distribuição do fator de forma da amostra do fornecedor C. 4.4 Camada de Refusão e Segregação Inversa Como já foi discutido na introdução teórica desta dissertação, a zona de intermetálicos grosseiros, à qual se associa a camada de refusão, está ligada diretamente à zona de maior concentração de elementos de liga causada pela segregação inversa. No entanto, a medição de ambas é feita de maneira distinta. Neste trabalho determinou-se através da análise de imagens, tanto por microscopia ótica como por SEM, a espessura da camada composta pelos intermetálicos grosseiros. As figuras seguintes mostram o aspeto das camadas de refusão das três amostras de fornecedores diferentes analisados por microscopia ótica e SEM. As figuras mencionadas são de campos representativos de cada amostra. (a) (b) Figura 26 - Camada superficial de uma liga 6060 (Fornecedor A). (a) Microscopia ótica; (b) SEM. 37 Figura 27 - Microscopia ótica de uma amostra do fornecedor A atacada com reagente Weak. A vermelho está medida a camada de refusão. Nas imagens relativas à amostra do fornecedor B, não se observam intermetálicos grosseiros junto à superfície como nas restantes amostras. No entanto, é notória uma linha formada por intermetálicos paralela à superfície. Apesar de nas imagens recolhidas, e na maior parte dos campos analisados, a superfície apresentar esta linha, existem zonas onde se verificam o tipo de intermetálicos grosseiros semelhante ao das outras amostras, com uma distância à superfície semelhante à da linha observada nesta amostra. (a) (b) Figura 28 - Camada superficial de uma liga 6060 (Fornecedor B). (a) Microscopia ótica; (b) SEM. 38 Figura 29 - Microscopia ótica de uma amostra do fornecedor B atacada com reagente Weak. A vermelho está medida a camada de refusão. Na amostra do fornecedor C é possível verificar, Figura 31, que a camada de refusão é ligeiramente superior à das amostras anteriores, atingindo pelo menos os 100 µm de espessura. Nota-se também na (a) (b) Figura 30.a que a região mais interior da amostra aparenta ter menos intermetálicos, ou pelo menos intermetálicos mais dispersos e finos. Quando comparadas as imagens obtidas por SEM, essa diferença não é tão evidente. (a) (b) Figura 30 - Camada superficial de uma liga 6060 (Fornecedor C). (a) Microscopia ótica; (b) SEM. 39 Figura 31 - Microscopia ótica de uma amostra do fornecedor C atacada com reagente Weak. A vermelho está medida a camada de refusão. Foram feitas medições em 10 campos por amostra de forma a determinar um valor médio da espessura da camada de refusão de cada uma. Na Tabela 10 são apresentadas as espessuras médias para os biletes de cada fornecedor. Tabela 10 - Espessura média da camada de refusão de cada fornecedor. A B C Espessura (µm) 86,02! 72,82! 100,14! Desvio Padrão 5,43! 5,68! 6,39! Como já foi referido, a segregação inversa é um fenómeno que visualmente só é possível relacionar com a camada de refusão. Nas figuras seguintes, podemos visualizar, para cada amostra, as zonas onde se mediu a composição química, a que distância à superfície, e a percentagem ponderal dos quatro elementos mais representativos (Fe, Si, Mg e Mn) em cada uma dessas zoas. As distâncias à superfície a que foram realizadas as medições foram escolhidas com base em estudos anteriormente realizados. No entanto, o tempo disponível para a utilização do equipamento, determinou a medição de apenas quatro campos por amostra. Note-se que, apesar de se analisarem campos com uma área que permite ter alguma validade estatística, o surgimento de, por exemplo, um intermetálico maior na área analisada pode alterar a composição nessa região. Pelo gráfico da Figura 33 pode verificar-se que junto à superfície, nos campos Z1 e Z2, na zona da camada de refusão da Figura 22, a percentagem de elementos de liga 40 é superior à dos campos Z3 e Z4 da mesma figura o que aponta para o facto de que há realmente uma segregação dos elementos na superfície. Analisando a variação para cada elemento, o de magnésio é ligeiramente positiva, do campo Z1 para Z2, descendo depois ligeiramente. Quando comparado com o gráfico de referência da Figura 14, apresentado na introdução deste trabalho, pode notar-se que o magnésio é o elemento que menos varia em ambos os casos. Já a sua percentagem, que segundo os valores obtidos por SEM variam entre 1 e 1,2 wt %, está bastante acima do esperado para a zona mais distante da superfície, fora da camada de refusão. Nesta zona, era esperado medir valores semelhantes ao do silício, na ordem dos 0,45-0,5 wt %, que corresponderia à composição teórica da liga. Este fenómeno vai verificar-se também para as amostras dos restantes fornecedores, como se poderá ver nos gráficos das Figuras 35 e 37. Ainda na amostra do fornecedor A, pode verificar-se que o silício é claramente superior na superfície, baixando até aproximadamente 0,6 wt %, e finalmente estabilizando, conforme esperado. Este valor, apesar de estar ligeiramente acima da composição teórica da liga, é bastante aceitável. Figura 32 - Imagem obtida por SEM da região superficial da amostra do fornecedor A. Cada Zona "Z" a vermelho indica um campo analisado por EDX. Cada zona está à distância da superfície indicada na imagem. 41 As evoluções do ferro e manganês são parecidas entre si, apesar de a percentagem de ferro ser superior. Em ambos os casos, a descida da percentagem destes elementos vai de acordo com o esperado e o que se observa na Figura 32, em que a maior quantidade de intermetálicos grosseiros justifica a maior presença de ambos nos campos Z1 e Z2. Já as medições em Z3 e Z4 não deviam apresentar a. O valor para o ferro em Z3 aproxima-se do valor esperado de 0,2 wt % mas o valor medido em Z4, praticamente 0 wt %, é demasiado baixo. Já o manganês deveria apresentar em Z3 um valor semelhante ao apresentado em Z4. Figura 33 - Perfil de composição química da zona superficial da amostra do fornecedor A obtida por EDX. Na Figura 35, referente à amostra do fornecedor B, o comportamento é ligeiramente diferente. Verifica-se novamente o valor médio elevado do magnésio, sem se verificar uma variação significativa da sua percentagem. Tanto o silício como o ferro apresentam concentrações mais elevadas próximo da superfície (campo Z8), mas já apresentam valores mais baixos, e próximos dos valores indicativos da composição da liga, ainda dentro da considerada camada de refusão (campo Z9). Nos campos Z10 e Z11 verifica-se a consistência da percentagem de silício; no entanto, o ferro é cerca do dobro do valor teórico da liga. Nesta amostra, contrariamente à primeira, não se verifica a existência de intermetálicos grosseiros à superfície, o que pode justificar os menores valores de ferro e silício. Poder-se-à dizer que a segregação nesta amostra é mais reduzida, sendo que mesmo dentro da suposta camada de refusão, só se verifica no campo Z8, mesmo junto à superfície e com variação menos acentuada que na amostra anterior. 42 Figura 34 - Imagem obtida por SEM da região superficial da amostra do fornecedor B. Cada Zona "Z" a vermelho indica um campo analisado por EDX. Cada zona está à distância da superfície indicada na imagem. Figura 35 - - Perfil de composição química da zona superficial da amostra do fornecedor B obtida por EDX. Na amostra do fornecedor C, volta a repetir-se o comportamento decrescente da concentração dos elementos ferro e silício. No entanto, este decréscimo é 43 aparentemente mais lento, pelo que parece indicar que a segregação é mais extensa, isto é, que o gradiente da composição se extende até uma maior distância da superfície. As percentagens de ferro e de silício são sempre significativamente superiores aos valores esperados nesta liga. Uma justificação para este fenómeno é que, mesmo o campo Z8, analisado nesta amostra a 200 µm da superfície, é ainda afetado pela segregação. Quando analisada a imagem obtida por SEM da Figura 36 da mesma amostra, é notório que, apesar da maior concentração de intermetálicos nos primeiros 100 micrómetros superficiais, a presença de intermetálicos na zona interior, onde se encontram os campos Z7 e Z8, é maior, comparada às outras amostras. A maior concentração de elementos nestes campos vai de encontro a essa maior quantidade de intermetálicos. Figura 36 - Imagem obtida por SEM da região superficial da amostra do fornecedor C. Cada Zona "Z" a vermelho indica um campo analisado por EDX. Cada zona está à distância da superfície indicada na imagem. Nesta amostra volta-se a verificar um comportamento do magnésio semelhante ao das amostras anteriores. Já a baixa percentagem de ferro no campo Z1 não é esperada é difícil de explicar. 50 6 Sugestões de Trabalho Futuro Na continuação desta dissertação poderão ser realizados os mesmos ensaios sobre outras ligas, nomeadamente as 6061 e 6082 que são bastante utilizadas na Extrusal. Pode também ser feito um estudo sobre a influência do tempo e temperatura a que os biletes são sujeitos no pré-aquecimento. Este trabalho pode ser feito fora do ambiente empresarial, replicando as condições em fornos para tratamentos térmicos, estudando nomeadamente o crescimento do tamanho de grão e crescimento de precipitados. A nível científico, o estudo mais aprofundado da caracterização e quantificação dos intermetálicos AlFeSi pode ser explorado, nomeadamente através de XRD, que não foi feito nesta dissertação e por EBSD em que não se obtiveram resultados. 51 7 Bibliografia [1] European Aluminium, “History of primary aluminium production evolution worldwide.” [Online]. Available: http://www.europeanaluminium.eu/production-primary-aluminium-production-evolutionworldwide/. [Accessed: 02-Feb-2016]. [2] European Aluminium, “Consumption – End-use markets for aluminium products 2011.” [Online]. Available: http://www.europeanaluminium.eu/consumption-end-use-markets-for-aluminium-products-2010/. [Accessed: 02-Feb-2016]. [3] F. Viana, “Apontamentos de Materiais Metálicos: Alumínio.” pp. 1–6, 2010. [4] L. Sweet, S. M. Zhu, S. X. Gao, J. A. Taylor, and M. A. Easton, “The Effect of Iron Content on the Iron-Containing Intermetallic Phases in a Cast 6060 Aluminum Alloy,” vol. 42, no. July, pp. 1737–1749, 2011. [5] M. S. Silva, C. Barbosa, O. Acselrad, and L. C. Pereira, “Effect of Chemical Composition Variation on Microstructure and Mechanical Properties of a 6060,” vol. 13, no. April, pp. 129–134, 2004. [6] N. Bayat and T. Carlberg, “Surface Structure Formation in Direct Chill (DC) Casting of Al Alloys,” Jom, vol. 66, no. 5, pp. 700–710, 2014. [7] R. Nadella, D. G. Eskin, Q. Du, and L. Katgerman, “Macrosegregation in direct-chill casting of aluminium alloys,” Prog. Mater. Sci., vol. 53, no. 3, pp. 421–480, 2008. [8] Y. Birol, “Precipitation during homogenization cooling in AlMgSi alloys,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed., vol. 23, no. 7, pp. 1875– 1881, 2013. [9] N. Kuijpers, Kinetics of the β -AlFeSi to α -Al ( FeMn ) Si transformation in Al-Mg-Si alloys. . [10] P. Ashtari and K. Gatenby, “Reheating of solid shell during twin belt-casting of an Al–Fe–Si alloy,” Scr. Mater., vol. 58, no. 2, pp. 150–153, 2008. [11] T. Carlberg, N. Bayat, and M. Erdegren, “Surface Segregation and Surface 52 Defect Formation During Aluminum Billet Casting,” Trans. Indian Inst. Met., no. Vd, pp. 1–5, 2015. [12] Y. Birol, “The effect of homogenization practice on the microstructure of AA6063 billets,” vol. 148, pp. 250–258, 2004. [13] B. Cantor and K. O’Reilly, Solidification and Casting. CRC Press, 2002. [14] M. Erdegren and T. Carlberg, “Surface Defects on Direct Chill As-Cast 6Xxx Aluminum Billets,” no. September, pp. 675–680, 2011. [15] M. V. Zimmermann Goulart, “Relatório de Estagio Curricular - ALCOA.” [16] Y. Birol, “Optimization of homogenization for a low alloyed AlMgSi alloy,” Mater. Charact., vol. 80, no. Table 1, pp. 69–75, 2013.