Redução da distorção de ligas de alumínio por meio de têmpera em solução aquosa de polímero

Redução da distorção de ligas de alumínio por meio de têmpera em solução aquosa de polímero

A tradicional água quente é geralmente escolhida como uma alternativa à têmpera com água fria na redução de distorção de ligas de alumínio tratáveis termicamente. No entanto, os níveis de redução são geralmente modestos e é necessária a utilização de meios de resfriamento mais eficazes

No tratamento térmico, o alumínio é solubilizado a temperaturas geralmente na faixa dos 400 a 540ºC. Durante a solubilização, alguns elementos de liga são redissolvidos para produzir uma solução sólida rica em soluto. O objetivo desse processo é maximizar a concentração de elementos de endurecimento que incluem o cobre, zinco, magnésio e/ou silício na solução sólida. A concentração e taxa de dissolução desses elementos aumentam com a temperatura. Portanto, as temperaturas de solubilização são geralmente próximas à temperatura liquidus da liga [1, 2].

Se a liga de alumínio é resfriada lentamente de uma elevada temperatura, os elementos de liga precipitam e se difundem da solução sólida para se concentrarem nos contornos de grão, pequenos vazios, sobre as partículas não dissolvidas, em discordâncias, e outras imperfeições na estrutura molecular do alumínio [2]. Para atingir propriedades ótimas, é desejável retardar esse processo de difusão e manter os elementos de liga em solução sólida. Isso é feito por meio de têmpera a partir da temperatura de solubilização. Para as ligas forjadas endurecíveis: 2xxx, 6xxx e 7xxx e ligas fundidas como a 356, isso é feito pelo processo de têmpera no qual o objetivo é resfriar de uma forma suficientemente rápida para evitar indesejáveis concentrações de elementos de liga em uma estrutura de defeito e contorno de grão. Após a têmpera, as ligas de alumínio são envelhecidas para que uma fina dispersão de elementos e compostos se precipitem e isso aumente significativamente a dureza do material. Os processos de difusão e precipitação cinética variam de acordo com a composição da liga.

O processo de resfriamento de ligas de alumínio endurecíveis pelo envelhecimento não afeta apenas as propriedades como dureza e ductilidade, mas também afeta a tensão térmica. Tensões térmicas são geralmente minimizadas pela redução da taxa de resfriamento a partir da temperatura de solubilização. Porém, se a taxa de resfriamento for muito pequena, uma precipitação indesejável no contorno de grão vai acontecer. Se a taxa de resfriamento for muito elevada, existe um aumento na propensão à distorção. Portanto, um dos primeiros desafios no projeto do processo de têmpera é determinar condições de têmpera que otimizem a dureza e ao mesmo tempo minimizem a distorção, evitando propriedades indesejáveis como, por exemplo, corrosão intergranular que também é dependente da taxa de resfriamento [3].

Existem muitos processos e meios de têmpera que são utilizados no tratamento térmico do alumínio e muitos são descritos na literatura [1]. Entretanto, desses meios potenciais, água fria (10 a 32ºC) é a mais comumente usada com o intuito de maximizar as propriedades mecânicas [4]. Quando ocorrem distorções ou trincas, tanto água quente (60 a 71ºC) [1] como soluções de polímeros são usadas na têmpera [5-8]. Atualmente, o polímero mais comumente usado na indústria como meio de têmpera para o tratamento térmico do alumínio é uma solução aquosa de um copolímero específico (PAG – poli -alquil -glicol) [9]. Esse artigo focará apenas em meios de têmpera à base de água e PAG, definido pela AMS 3025 como Tipo I [10,11]. O objetivo desse artigo é fornecer uma visão geral da têmpera de alumínio e minimização de distorção e trincas.

Discussão

Água fria, principalmente quando com elevada agitação, é um excelente meio de resfriamento para maximizar a dureza de uma parte temperada de uma liga de alumínio. Isto é ilustrado na Fig. 1, na qual é mostrado que a resistência à tração da liga AA7075 diminui quando a temperatura da água é superior à faixa de 55 a 60ºC. Entretanto, as taxas de resfriamento relativamente altas associadas com resfriamento em água fria geram grandes gradientes de temperatura entre seções grossas e finas, que, geralmente, resultam em elevada tensão residual, distorção e, às vezes, trincas. O aumento da temperatura da água reduz esses gradientes de temperatura e, portanto, pode resultar em uma redução correspondente na tensão residual e distorção.

O copolímero PAG, que é talvez o mais comumente especificado para aplicações em têmperas de alumínio, é designado como “Tipo I” pela AMS 3025 [10]. Tipo I é uma solução aquosa de copolímero PAG e aditivos e é definido pelas propriedades físicas descritas na Tabela 1. Além das propriedades físicas do meio de têmpera, existem requisitos específicos de desempenho que também são solicitados, como: taxas de resfriamento da amostra de liga de alumínio, dados das curvas de resfriamento, propriedades de tração e resistência à corrosão intergranular. Para qualificar adequadamente o Tipo 1 que será usado, é interessante que o usuário exija todos os dados necessários e especificamente os descritos na AMS 3025 [10], e não apenas as propriedades físicas do meio.

Os valores das propriedades físicas na Tabela 1, juntamente às propriedades de desempenho requisitadas, especificam de forma geral a composição de um meio de têmpera Tipo I. Por exemplo:

1. Viscosidade: com teor de água constante, é um indicativo do peso molecular do copolímero (tamanho);
2. Índice de refração: mesmo sendo um método de caracterização muito antigo, tem sido relacionado com os valores de refratância molar (estrutura) de compostos químicos e suas concentrações;
3. Peso específico: mesmo não sendo um parâmetro crítico, é geralmente usado em processo de engenharia química como um indicador de composição e concentração;
4. Viscosidade da solução diluída: é uma validação de que o peso molecular do polímero e concentração do polímero estão corretos e sendo utilizados;
5. Temperatura de separação: é um indicativo da composição química do copolímero PAG sendo usada para formular o meio de têmpera.

Portanto, esses valores refletem a composição química do copolímero, o peso molecular, a concentração e o teor de aditivo. Embora testes adicionais possam ser realizados, eles provavelmente não serão necessários, pelo menos para o meio de têmpera como recebido pelo fornecedor. Além disso, as propriedades de tração, resistência à corrosão intergranular e as taxas de resfriamento de liga devem ser determinadas para a certificação adequada do meio de têmpera, como já exigido pela AMS 3025. As propriedades mecânicas das ligas de alumínio tratadas termicamente devem pelo menos satisfazer os requisitos mínimos do Military Standardization Handbook 5D [12]. As indicações dos fabricantes não são suficientes para qualificar o meio de têmpera a ser utilizado. As concentrações do meio de têmpera Tipo I recomendadas e as condições de tratamento térmico de peças de liga de alumínio fundidas e forjadas são fornecidas na AMS 2770 e AMS 2771 respectivamente [13,14].

O máximo atingível pelas propriedades de resistência depende da taxa de resfriamento entre 400 e 290ºC. Geralmente, taxas de resfriamento mais rápidas fornecem maior resistência, até um certo limite. Isso é mostrado na Fig. 2 [15]. Como mostra a Fig. 3, as taxas de resfriamento decrescem com o aumento da temperatura da água e a Fig. 4 mostra que as taxas de resfriamento decrescem com o aumento da concentração do polímero [4]. Entretanto, taxas de resfriamento crescentes aumentam os gradientes térmicos que gera um aumento na tensão térmica e o potencial para uma distorção acentuada. Gradientes térmicos são reduzidos por meio da redução da taxa de resfriamento. (É por isso que água “quente” ou fervente é utilizada.) Existe uma “janela” na taxa de resfriamento que deve ser identificada para obter a resistência mínima ótima projetada e a tensão residual e distorção mínimas. A posição e largura da janela é uma função da temperabilidade específica da liga e da geometria da peça.

Apesar da têmpera em água quente ser comumente realizada para reduzir o gradiente térmico entre a superfície e o núcleo das ligas de alumínio e, portanto, para reduzir a distorção, é muitas vezes insuficiente para produzir a minimização ideal da distorção, particularmente de chapas finas e componentes em placa. As Fig. 5A e 5B mostram que a têmpera em água de uma chapa de 1,6mm da liga de alumínio AA 2024, tanto em água quente (70°C) quanto em água fria (30°C) produziu elevadas distorções. Comparando a Fig. 5C com a Fig. 5A e com a Fig. 5B, a distorção observada é drasticamente menor que a obtida quando as amostras de AA2024 foram temperadas em uma solução aquosa de polímero Tipo I a 12% a 40ºC. Esses exemplos, juntamente a outros exemplos já publicados [1,4,7] mostram claramente a vantagem de utilizar meios Tipo I para reduzir de distorção em têmperas de ligas de alumínio. Nesses casos, um meio aquoso de copolímero PAG deve ser usado.

Em outros estudos, Suttie relatou que o meio de têmpera Tipo I proporcionou significativa redução na distorção de 7075-T6 forjados em relação à água fria, gerando também um aumento substancial na resistência à tração em relação à água quente [16]. Resultados semelhantes foram relatados por Collins e Maduell para a mesma liga [17].

Em uma série de estudos têm sido mostrado que as têmperas com polímero Tipo I oferecem uma redução na tensão residual significativamente maior do que a água quente. A Fig. 6 apresenta os resultados de estudos conduzidos pelo método Bore-Out de Sach em A 356 fundido comparando a tensão residual obtida pela têmpera em água fria e na têmpera do Tipo I com diferentes concentrações [18]. Esses dados mostram a redução substancial na tensão residual obtida na têmpera, conforme as concentrações do polímero Tipo I aumentam até 30% em volume.

Torgerson e Kropp conduziram uma extensa comparação da tensão residual e outras propriedades mecânicas quando usada têmpera em água quente e o Tipo I em várias concentrações para placas e forjados de 7050-T736 [19]. Eles descobriram que a têmpera com o Tipo I forneceu distorção mínima cumprindo os mínimos de projeto para forjados de até 5 centímetros de espessura.

Tensi et.al. compararam as curvas de resfriamento obtidas pela têmpera em uma amostra de alumínio (AlMgSiCu) tendo como meio uma solução aquosa (água destilada a 25ºC) com 10% em volume de polímero Tipo I [20] e apenas água destilada a 25ºC. A temperatura inicial de ambas as amostras na têmpera foi de 520ºC. Ambas as amostras foram limpas com lixa abrasiva nº 600 antes de cada teste. O filme de polímero formado ao redor da superfície da amostra rompeu de forma simultânea ao redor de toda a superfície. Esse fenômeno é chamado de remolhamento “explosivo”, que acontece na têmpera com polímero Tipo I enquanto na água o processo de remolhamento é mais lento e apresenta três diferentes mecanismos de ebulição que frequentemente ocorrem simultaneamente na superfície da amostra. O processo de remolhamento mais lento obtido com a água leva a gradientes térmicos substanciais durante a têmpera, e tensões residuais e distorções maiores do que as obtidas com o polímero Tipo I. Esse processo de molhamento não uniforme é o principal motivo para o aumento da distorção observada na têmpera de placas de alumínio, tanto em água quente como fria, quando comparado com a têmpera em solução de polímero do Tipo I, como mostrado na Fig. 5, causando também maior tensão residual, conforme ilustrado na Fig. 6.

Amostras de prata também são usadas para avaliar a severidade da têmpera exibida por diferentes meios (recentemente foi publicada a ASTM D7646 que fornece um método de teste padronizado utilizando amostras de prata para modelar o desempenho da têmpera de alumínio [21]).

Conclusão

Essa discussão mostrou que a têmpera com polímero PAG Tipo I, como definido na AMS 3025, fornecerá uma diminuição substancial na tensão residual e na distorção em relação à encontrada com água fria e quente. A razão disso é que o mecanismo de resfriamento em água envolve um processo inerente de molhamento não-uniforme que produz um gradiente térmico consideravelmente maior que a têmpera com polímero Tipo I. Embora o aumento na concentração do Tipo I produza propriedades de resistência proporcionalmente menores, os mínimos de projeto dados pela Military Standardization Handbook 5D para o tamanho da seção e liga podem ser alcançados seguindo as diretrizes de concentração especificadas na AMS 2770 e AMS 2771.

Para mais informações, contate: Lauralice Canale, lfcanale@sc.usp.br ou Rosa Simencio Otero, rosa_simencio@yahoo.com.br – Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de São Carlos – Departamento de Engenharia de Materiais.

Referências

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[3]. KAVALCO, P.M.; CANALE, L.C.F.; TOTTEN, G.E. “Quenching Fundamentals – Quenching of Aluminum Alloys: Cooling Rate, Strength and Intergranular Corrosion”, Heat Treating Progress, 2009, Vol. 9, No. 6, November/December, p. 25-30;
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[20]. TENSI, H.M.; STITZELBERGER-JACOB, P.; TOTTEN, G.E. “Quenching Fundamentals: Surface Rewetting of Aluminum”, Adv. Mat. and Proc., 1999, Vol. 156, No. 5, p. H15-H20;
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