INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

Cristiane Virgínia RangelMetalurgia e materiais – v30

TRATAMENTOS TÉRMICOS

Vitória2011

Cristiane Virgínia da Silva Rangel

MAGNÉSIO E SUAS LIGAS:OBTENÇÃO, CARACTERÍSTICAS, PROPRIEDADES,

TRATAMENTOS TÉRMICOS APLICÁVEIS E

APLICAÇÕES

Trabalho apresentado a turma V30, na disciplina de

Tratamentos Térmicos, integrante do curso de Metalurgia e

Materiais, do Instituto Federal do Espírito Santo. O tema

engloba o elemento magnésio e suas ligas, enfatizando sua

obtenção, propriedades, tratamentos térmicos e aplicações,

tendo como orientador o professor Flávio Antônio de Moraes

Pinto.

Instituto Federal do Espírito Santo

VITÓRIA - 2011

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................3

2 PROPRIEDADES DO MAGNÉSIO..............................................................................3

3 LIGAS DE MAGNÉSIO............................................................................................... 4

3.1 Tipos de liga............................................................................................................ 4

4 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO.........................................................6

4.1 Propriedades das ligas de magnésio....................................................................7

5 RESISTENCIA À CORROSÃO................................................................................... 7

6 PROCESSAMENTO DAS LIGAS................................................................................8

7 TRATAMENTOS TERMICOS APLICÁVEIS E SUAS FINALIDADES.......................11

7.1 Tratamentos térmicos aplicáveis..........................................................................11

8 APLICAÇÕES DAS LIGAS DE MAGNÉSIO.............................................................12

9 CONCLUSÃO............................................................................................................ 13

10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................... 14

1. INTRODUÇÃO

O magnésio é um metal cinza-prateado e é principalmente usado como elemento de liga para o alumínio, zinco e outras ligas não-ferrosas.O magnésio é dúctil e o mais usinável de todos os metais. Na natureza, o magnésio não é encontrado em forma pura (devido à sua alta reatividade), porém entra na composição de mais de 60 minerais, sendo os mais importantes industrialmente os depósitos de dolomita, magnesita, brucita, carnallita, serpentina, kainita e olivina. Os principais minerais são a Magnesita (carbonato de magnésio, MgCO3) e a dolomita (carbonato duplo de cálcio e magnésio, (MgCa(CO3)2). A água do mar contém magnésio em forma de cloreto (MgCl2). O metal é obtido principalmente pela eletrólise do cloreto de magnésio fundido (MgCl2), método esse que já foi empregado por Robert Bunsen, obtendo-o de salmouras e água de mar ou de salmouras ricas em sais de magnésio. Também pode ser produzido pela redução direta de um minério com um agente redutor adequado, como por exemplo: dolomita calcinada (MgO.CaO), óxido de magnésio (MgO) com ferrossilício. Industrialmente, só a eletrólise é usada.

2. PROPRIEDADES DO MAGNÉSIO

Número atômico 12 Massa atômica 24.31Cor Cinza prateadoDensidade 1.738 g/cm-3 a 20ºCPonto de fusão 650ºCPonto de ebulição 1103ºCEstrutura cristalina HCPCalor de combustão 25020 kJ*kg-1

Temperatura da chama ~2800ºCCalor de fusão 368 kJ*kg-1

Calor de vaporização 5272 kJ*kg-1

Calor específico 1025 J*K-1 a 20ºCPressão de vapor 360 Pa a 650ºEstado de valência Mg2+

Viscosidade 1.25

O magnésio é o mais leve dos metais estruturais com a densidade de 1,74 g/cm3 (Fig. 1.1), além de ser um metal reativo usualmente encontrado na natureza sob a forma de óxido, carbonato ou silicato, muitas vezes em combinação com o cálcio. A sua elevada reatividade é uma das razões pela qual a produção de magnésio requer grande quantidade de energia. Uma grande desvantagem do magnésio é a facilidade à corrosão, esta característica impede a sua utilização sem adição de elementos de liga. A sua estrutura hexagonal compacta é também uma desvantagem pois dificulta o trabalho a frio.

O uso de magnésio concentra-se basicamente em três propriedades deste metal:

a sua tendência á formação de compostos intermetálicos com outros metais; a sua alta reatividade; a sua baixa densidade.

Fig. 1.1 Comparação das densidade de alguns elementos com o Mg

3. LIGAS DE MAGNÉSIO

O magnésio é utilizado principalmente como elemento de liga, e suas ligas são tratadas termicamente para melhorar suas propriedades mecânicas. O tipo de tratamento térmico depende da composição, da forma (fundido ou forjado) e também das condições de serviços desejaveis.

3.1. TIPOS DE LIGA

Ligas Mg-Al

As ligas Mg-Al foram as primeiras a serem desenvolvidas. A adição do Al ao magnésio permite aumentar a sua resistência mecânica e à corrosão. As ligas AM60 e AM100 são dois exemplos de ligas mais comercializadas.

Segue abaixo o Diagrama de fases de uma curva de resfriamento liga magnésio ( ZAXL a05413) com resfriamento, podemos verificar a presença do alumínio (como elemento dominante), verificando a TL estando próxima a 615 ºC e a Temperatuta final de solidificação ficando próxima de 590 ºC.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Magnésio (Mg)

Alumínio (Al)

Zinco (Zn)

Niquel (Ni)

Estanho (Sn)

Densidade (ton/m^3)

Ligas Mg-Al-Zn

As ligas de Mg-Al-Zn têm uma importância industrial pois apresenta uma boa combinação de baixo peso, resistência mecânica e resistência à corrosão.

A adição de zinco aumenta a resistência desta ligas por solução sólida e precipitação. O aumento do teor deste elemento pode provocar um aumento da microporosidade e da contracção neste tipo de ligas. Estas não são particularmente resistentes ou dúcteis mas têm baixa densidade e são relativamente de fácil produção. Têm o inconveniente de não poderem ser aplicadas a temperaturas superiores a 95ºC. A liga AZ91 é a mais utilizada.

A resistência à corrosão do magnésio em condições normais pode ser melhorada com a diminuição dos teores de impurezas de ferro, níquel e cobre.Temos como exemplo a liga de alta pureza AZ91D.

Ligas de Mg-Zn-Zr

Estas ligas apresentam excelentes propriedades mecânicas, no entanto não têm uma vasta aplicação devido à sua suscetibilidade à microporosidade durante o vazamento, não são soldáveis devido à elevada quantidade de zinco (5 a 6%) e sofrem fissuração a quente. O zinco permite um aumento da resistência da liga, enquanto o zircónio refina o grão.

Ligas de Mg-Zn-Terras Raras-Zr

Estas ligas têm uma soldabilidade relativamente boa porque o seu baixo ponto de fusão eutético forma uma cadeia nas ligações dos grãos durante a solidificação na qual tenderá a diminuir a microporosidade. No entanto, as forças de tensão à temperatura ambiente das ligas EZ33-T5 e ZE41-T5 são relativamente baixas devido em parte à remoção de Zn da solução sólida para formar as fases estáveis da liga Mg-Zn-Terras Raras nas ligações do grão. No entanto, as ligas EZ33 e ZE41 têm uma boa resistência à fadiga.

Ligas para altas temperaturas

Para aplicações a temperaturas entre 200 e 250ºC foram desenvolvidas as ligas Mg-Ag-Terras Raras e Mg-Y-Terras Raras. Com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas a altas temperaturas surgiu a liga QE22A, a prata substitui zinco e as propriedades mecânicas são melhoradas pela ação de afinação do grão através do zirconio. A utilização de ítrio surge para ultrapassar os problemas inerentes ao tório e à prata. O primeiro causa problemas ambientais e a prata tem um preço muito instável.

Na liga WE54A, o ítrio aparece em quantidades de 5 % combinado com o elemento terras raras. Esta liga tem melhores propriedades a altas temperaturas e tem uma resistência à corrosão quase tão boa como as ligas de alta pureza do tipo Mg-Al-Zn.

4. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

O sistema da ASTM estabelece que as ligas de magnésio, divididas em fundidas e trabalhadas, são designadas por um conjunto de caracteres alfanuméricos, no qual as duas primeiras letras se referem aos dois principais elementos de liga, os números seguintes são relativos aos teores nominais de cada um destes elementos e a letra posterior indica variações da liga básica associadas à introdução de outros elementos minoritários. Após o hífen indica-se o tratamento térmico ou termomecânico de modo semelhante ao que ocorre com as ligas de alumínio. Sendo assim, a liga de magnésio mais conhecida e utilizada, designada por AZ92A-T6, significa uma liga com 9 % de alumínio e 2 % de zinco em sua composição básica (A) e submetida ao tratamento térmico de solubilização e envelhecimento com o objetivo de obter dureza máxima (T6).

Nomenclatura das Ligas de Magnésio:

Neste sistema as duas primeiras letras indicam os elementos de liga principais de acordo com o seguinte código:

A – Alumínio H – Tório Q – Prata

B – Bismuto K – Zircónio R – Cromio

C – Cobre L – Berílio S – Silício

D – Cádmio M – Manganês T – Estanho

E – Terras Raras N – Níquel Z – Zinco

F – Ferro P – Chumbo

A primeira letra indica o elemento de liga que se encontra em mais alto teor. As duas letras são seguidas de números que indicam as composições nominais (Percentuais em peso) do principais elementos de liga. As letras “A”, “B” etc, no final referem-se a variações da composição nominal. A última parte indica o tratamento térmico e/ou mecânico efetuado na liga:

F – Não tratado

O – Recozido

H10 e H11 – Levemente Encruado

H23, H24, H26 – Encruado e parcialmente recozido

T4 – Tratamento térmico de solubilização

T5 – Envelhecido artificialmente

T6 – Tratamento térmico de solubilização e envelhecido artificialmente (T4 e T5)[4]

Exemplo:

Liga AZ81A-T4

A liga é constituída por alumínio e zinco, com 8 e 1% respectivamente. Foi realizado um tratamento térmico de solubilização a esta liga.

4.1. PROPRIEDADES DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

Baixa densidade Alta resistência Baixa ductilidade Baixo ponto de fusão Boa maquinabilidade Soldável Boa resistência à fadiga Alta resistência ao impacto Baixo módulo de Young (45 x 103MPa)

-

7. RESISTÊNCIA À CORROSÃO

A maior desvantagem apresentada pelo magnésio e pelas suas ligas reside na fraca resistência à corrosão. Como todos os metais muito oxidáveis, a sua estabilidade só pode ser conseguida por meio de proteção adequada da superfície. O magnésio e suas ligas não formam uma película natural de óxido que proteja o metal. As ligas de magnésio escurecem quando expostas ao ar, pela formação de uma camada de hidróxido de magnésio ou de carbonato de magnésio, a qual não impede a continuação do ataque.

Para aplicações sujeitas a instabilidades térmicas é importante que o metal seja polido e isento de bolhas podendo estas ser regiões de acumulação de umidade. As ligas que forem empregadas em ambientes salinos devem ser cuidadosamente protegidas.

Nas ligas de magnésio, a diminuição da resistência mecânica provocada pela corrosão pode ser estimada pela intensidade do ataque superficial.

8. PROCESSAMENTO DAS LIGAS

Equipamentos:

Cadinhos

Como o magnésio fundido não ataca o ferro da mesma forma que o alumínio, os cadinhos podem ser fabricados a partir de materiais ferrosos. Então, os aços utilizados para o sua fabricação são de baixo teor de carbono (%C < 0.12) e um teor em cobre e em níquel abaixo de 0.10%, pois estes dois elementos afetam de forma adversa a resistência à corrosão das ligas de magnésio.A capacidade dos cadinhos varia entre 30 e 910 Kg.

O uso de cadinhos metálicos permite a existência de um espaço livre debaixo dos mesmos que apresenta uma dupla vantagem:

Facilita a transferência de calor para a carga Assegura uma remoção fácil de resíduos que se possam formar no exterior do

cadinho durante a operação de fusão.

Colheres de Vazamento

As colheres de vazamento são utilizadas para vazamento manual e podem ser em

forma de balde (Fig. 1.2) ou hemisféricas. São também fabricadas em aço de baixo carbono e

baixo níquel.

Fig. 1.2 Colher de vazamento em forma de balde.

Fornos

Os fornos de fusão das ligas de Mg para fundição são normalmente fornos de cadinho de

aquecimento indireto e cujo design é semelhante ao das ligas de Al. No entanto, as

diferentes propriedades físicas e químicas das ligas de Mg em relação ao Al levam ao uso

de diferentes materiais para a construção dos cadinhos, assim como no equipamento de

processamento.

Observando a figura 1.3, pode-se observar a disposição de um forno de cadinho do tipo aberto, o que permite que este seja suportado no topo, deixando um espaço livre na parte inferior.

Fig. 1.3 Estrutura de um forno de cadinho para a fusão de ligas de magnésio

Neste tipo de forno poder ocorrer a fuga de metal líquido se a espessura das paredes do cadinho não for verificada regularmente, pois a mesma tende a diminuir por ação da chama.Outro aspecto importante a considerar é a remoção do metal agregado no exterior do cadinho,

pois se esta operação não for efetuada, o perigo de explosão por reação do óxido de ferro com

magnésio líquido aumenta significativamente.

Os fornos de aquecimento indireto são de baixa eficiência térmica. Assim, os fornos de

indução surgem como alternativa, pois, apesar do elevado investimento inicial, ocupam menos

espaço e possuem custos de manutenção mais baixos.

A composição dos refratários também é de extrema importância, na medida em que o magnésio é bastante reativo com alguns tipos de refratários. Assim, um refratário deverá ser de alta-alumina ou de alta-densidade com 57% Si e 43% Al.

Escolha do forno

O magnésio exige um tratamento particular devido às suas características, o que determina o seguimento de certas exigências práticas:

A fusão deve ser rápida, até aos 850ºC ou 950ºC. Indica-se por exemplo, para 60 Kg de magnésio, uma hora de fundição.

A superfície exposta do metal líquido deve ser a menor possível de modo a reduzir as possibilidades de oxidação e absorção dos gases.

Manter-se o banho tão pouco agitado quanto possível (nas operações de carregamento, fusão e purificação).

É conveniente a uniformidade da temperatura no aparelho, assim como um bom controle dessa temperatura.

Deste modo o forno de indução a alta frequência não poderá ser empregado por provocar uma agitação muito intensa do banho metálico. Apesar de ser utilizado no alumínio, o forno de indução de baixa frequência e de núcleo magnético apresenta vários inconvenientes, não se adequando bem à fusão do magnésio. O forno de cadinho é aquele que melhor satisfaz os requisitos acima mencionados. Pode ser aquecido a gás, eletricamente ou a óleo sendo este não muito utilizado por questões ambientais. Quando é aquecido a óleo, o consumo deste é de 22 a 25% em relação ao peso de magnésio.Quando o aquecimento é elétrico, embora a energia necessária para fundir 1Kg de metal não seja elevada, é necessário um potencial muito superior para se conseguir uma fusão rápida.

Proteção do Banho

Quando o magnésio entra em fusão, tende a oxidar e a combustar. Portanto, é necessário proteger o banho da oxidação, pois as ligas de magnésio formam um óxido permeável e desagregado na superfície do banho, permitindo que o oxigênio passe e alimente a combustão do metal. A proteção do banho pode ser efetuada por um fluxo ou por um gás protetor, normalmente misturas de ar com hexafluoreto de enxofre (SF6) ou de ar com CO2 e SF6.

Constituição da Carga

A carga é constituída por magnésio primário (normalmente em forma de lingote), sucata, retornos e elementos de liga.

Afinação da Estrutura e Desgaseificação

Os primeiros processos utilizados para proceder à afinação do grão, consistiam basicamente num aquecimento exagerado das ligas de magnésio até uma temperatura próxima dos 850 C e em seguida era realizado um resfriamento rápido até à temperatura de vazamento. Com o passar dos tempos esta prática foi progressivamente sendo descartada devido aos seguintes fatores:

Grandes quantidades de ferro eram encontradas na composição das ligas, ferro este oriundo do cadinho;

Diminuição da vida do cadinho devido as altas temperaturas que se verificam dentro do forno.

Geralmente utiliza-se um processo de cloretação para limpar e desgaseificar o banho, mas este método também tem sido descartado devido às sérias consequências ambientais que lhe são atribuidas. Como substituição deste processo, tem sido introduzido um método que consiste na inoculação de carbono, usando hexacloretano e hexaclorobenzeno. Sendo estes adicionados ao banho na forma de placas, proporcionando simultaneamente uma desgaseificação e uma refinação da estrutura. Quando se fundem ligas de magnésio com zircônio não se torna necessário recorrer às técnicas de desgaseificação e refinação do grão previamente descritas, pois o zircônio atua como agente controlador destes parâmetros.Para

se obter o tamanho de grão ideal é necessário que o banho seja sobressalente com zircônio, pois geralmente os banhos possuem impurezas (alumínio,silício...) que irão reagir com o mesmo, formando compostos insolúveis.

Vazamento

O vazamento no molde deve ser feito à temperatura mais baixa possível de acordo com a forma do objeto a fundir e sob uma atmosfera protetora. Deve-se evitar o balanceamento do cadinho para não destacar a crosta do fluxo. Alguns cadinhos de vazamento possuem o “bico de chaleira” que é muito conveniente.

9. TRATAMENTOS TERMICOS APLICÁVEIS E SUAS FINALIDADES

As ligas de magnésio são tratadas termicamente de modo a permitirem um melhoramento das propriedades das peças em bruto vazamento. Os tratamentos térmicos efetuados alteram as propriedades do material, tais como ductilidade, resistência à tracção, dureza, etc. Um dos grandes objetivos dos tratamentos térmicos é a redução da dilatação das peças quando submetidas a elevadas temperaturas de serviço.

Na execução dos tratamentos térmicos são considerados diferentes fatores que determinam a escolha da temperatura e tempo de estágio.A temperatura a qual se realiza o tratamento depende principalmente da composição química do material, enquanto que o tempo de estágio depende da geometria da peça e da microestrutura desejada.

9.1. TRATAMENTOS APLICÁVEIS

Tratamento Térmico de Solubilização-T4

Este tratamento provoca um aumento da resistência à tração, da ductilidade e da resistência ao impacto, mas diminui ligeiramente a tensão de cedência e a dureza.

Faixa de temperaturas: 340 a 565ºC.

Tratamento Térmico de Envelhecimento-T5

Este tratamento origina um aumento da tensão de cedência e da dureza.

Faixa de temperaturas: 120 a 230ºC.

Tratamento Térmico de solubilização seguido de um Envelhecimento-T6

Este tratamento térmico (T4 seguido de T5) origina um aumento considerável da tensão de cedência e da dureza, no entanto diminui a resistência ao impacto e a ductilidade.

Tratamento Térmico de Solubilização seguido de Estabilização-T7

Este tratamento térmico tem como principal objetivo a obtenção do máximo alívio de tensões e da mínima dilatação que as peças apresentam, quando sujeitas a elevadas temperaturas.

10. APLICAÇÕES DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

As ligas de magnésio têm uma vasta aplicação resultante das suas excelentes propriedades, dentro das quais se podem referir a sua dureza, resistência ao impacto, baixa densidade, etc. Estas ligas aplicam-se na indústria automóvel, aeroespacial, equipamentos comerciais, etc.

CONCLUSÃO

As ligas de magnésio possuem propriedades bem atrativas como boa reatividade e

baixa densidade. Porém, por conta da baixa resistência à corrosão especialmente

em ambientes ácidos e em condições de água-sal, o magnésio é apenas utilizado

em elementos de liga. Os elementos de liga agregam ao magnésio propriedades

como resistência à tração, alongamento, dureza, resistência à oxidação,

condutibilidade térmica, etc.

As ligas de magnésio passam por tratamentos térmicos afim de garantir as

propriedades desejadas ao uso,e um dos principais objetivos desses tratamentos é

reduzir a dilatação das peças quando submetidas a elevadas temperaturas de

serviço.

As peças confeccionadas com ligas de magnésio tem diversas aplicações nas

indústrias automóveis, aeroespaciais e equipamentos comerciais.

As aplicações do magnésio e suas ligas vem crescendo a cada dia, porém existe

um problema com esse uso tão crescente: a procura dos seus fundidos tem

aumentado cerca de 15% ao ano, ultrapassando a sua produção.

Isso acarreta um aumento no preço do magnésio, não havendo portanto incentivo no seu uso.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LOSS, Fernando. Apostila de Metais não ferrosos

CALISTER D., William. Fundamentos da ciência e engenharia de

materiais. 2ª Edição. 2006.