ESTUDO DA MICROESTRUTURA E DA DUREZA DA LIGA DE ALUMÍNIO AA6351 APÓS O FORJAMENTO E TRATAMENTO TÉRMICO

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.

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

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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).

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

Alumínio, número V, ano II, 4 º trimestre de 2005, pg 14-16.


7419

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.

Key-words: aluminum deformation, aluminum forging, horseshoes.


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