4° Seminário INOVTEC IFSUL 2015 - 1

4° Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul fourth Innovation and Technology Seminar IFSul 10 a 12 de Novembro / November 10th to 12th, 2015

Sapucaia do Sul RS Brasil –

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ISSN 2446-7618

Análise das propriedades mecânicas da liga de Al com 1% Cu obtido pela metalurgia do pó convencional 1

da Silva, Magnos Marinho 2 Arenhardt, Sandro Luís 3 Martins , Vinícius Rocha, Alexandre da Silva

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Mestrando em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais Materiais do Departamento de Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS. Campus do Vale, Porto Alegre, RS. [email protected]

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Mestrando em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais do Departamento Departamento de Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS. Campus do Vale, Porto Alegre, RS. [email protected]

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Prof. Msc. Msc. Ensino Superior de Engenharia Mecânica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-riograndense – Campus Sapucaia do Sul. Avenida Copacabana, nº 100, Bairro Piratini, Sapucaia do Sul, RS. [email protected]

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Prof. Dr. Eng. de Minas, Metalúrgica Metalúrgica e de Materiais. Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) – Campus do Vale – Porto Alegre RS. [email protected]

Resumo A Metalurgia do Pó é um processo de conformação mecânica com um grande crescimento de sua aplicação no cenário industrial brasileiro, por possuir um vasto campo de aplicação que inclui, por exemplo, a fabricação de componentes automotivos, eletrodomésticos, ferramentas de corte e ferramentas elétricas. A sinterização é a fase mais importante do processo, no qual o pó já compactado é submetido a uma temperatura abaixo do seu ponto de fusão, obtendo como resultado um material com excelente acabamento, precisão dimensional e propriedades mecânicas. O trabalho apresentado tem como objetivo avaliar o comportamento do alumínio com a adição de 1% de cobre tendo como objetivos específicos realizar levantamentos sobre a densidade, microdureza e metalografia apresentados pelas amostras. Palavras-chave: Metalurgia do Pó, liga de Alumínio-cobre, microdureza, densidade e metalografia.

Abstract The powder metallurgy is a process of mechanical forming with a great growth of your application in the Brazilian industrial scenario, by having a vast application field that include, for example, the manufacturer of automotive components, home appliances, cutting tools and electric tools. The sintering is most important fase of the process, in which the already compacted powder is subjected to a temperature below its melting point, obtaining a material with excellent finish, dimensional accuracy and mechanical properties. The presented work aims at assessing the behavior of aluminum with the addition of 1% copper with specific objectives conduct surveys on the density, hardness and metallography presented by samples. Key words: powder metallurgy, Aluminum-copper alloy, hardness, density and metallography.

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1. INTRODUÇÃO Embora a metalurgia do pó seja uma técnica metalúrgica relativamente recente, sabe-se, devido à história que o homem já produzia suas armas há cerca de 6.000 anos a.c, como lanças e espadas, e até mesmo ferramentas a partir de aglomerados de ferro, mas somente no século XIX foram dados os primeiros passos para o desenvolvimento da técnica da metalurgia do pó. Em 1829, Wollaston deu um passo importante na história do processo, pois produziu peças de platina compacta a partir de pó esponjoso deste material, obtido por transformação de um cloreto de amônio e platina. Para o desenvolvimento industrial da técnica ocorreram etapas mais importantes no início deste século quando foi estudada a possibilidade de fabricação, por sinterização, de molibdênio e tungstênio, metais refratários. Sua obtenção por processos metalúrgicos convencionais eram impossibilitadas devido ao ponto de fusão apresentado, extremamente elevados. Em 1909, a partir do pó de tungstênio, o processo de fabricação de fios de tungstênio dúcteis para utiliza ção em lâmpadas incandescentes foi desenvolvido por C. Coolidge. Após esta importante contribuição, os próximos passos foram rápidos. A produção de ligas duras sinterizadas a partir de carboneto de tungstênio aglomerados com metal do grupo do ferro e cobalto são utilizados na produção de misturas para materiais de contato elétrico e em diversas aplicações, pois praticamente todos os metais e ligas podem ser produzidos pela metalurgia do pó (CHIAVERINI, 2001). A metalurgia do pó é potencialmente utilizada, ou uma alternativa muito atraente, na necessidade de produzir grandes lotes de peças, com complexidade de forma ou com material base de alto ponto de fusão. Este é um processo moderno, mas os avanços científicos e tecnológicos não param (GRUPO SETORIAL, 2009). Alguns exemplos de produtos que são mais eficientes e economicamente fabricados pela metalurgia do pó são peças de grande precisão dimensional e de forma relativamente complexa, de ferro e aço, cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas e outros metais e ligas. São muito utilizadas, em grande escala, nos mais variados setores de máquinas, veículos e equipamentos (CHIAVERINI, 2001). Uma operação fundamental da técnica de metalurgia do pó é a sinterização, pois ela constitui a fase final do ciclo de consolidação dos pós-metálicos, ciclo esse iniciado com a compactação (CHIAVERINI, 2001). O alumínio é um elemento usado há milênios antes de Cristo, mas a fabricação comercial começou há cerca de 150 anos. Sua produção atual supera a soma de todos os outros metais não ferrosos. Esses dados já mostram a importância do alumínio para a nossa sociedade. Antes de ser descoberto como metal isolado, o alumínio acompanhou a evolução das civilizações. Sua cronologia mostra que, mesmo nas civilizações mais antigas, o metal dava um tom de modernidade e sofisticação aos mais diferentes artefatos. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO ALUMÍNIO, 2014).

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O objetivo deste trabalho é fazer uma comparação e sinterização da liga de alumínio com a adição de 1% de cobre em sua composição, tendo como objetivos específicos realizar levantamentos sobre o comportamento dimensional, densidade, microdureza e metalografia apresentado pelas amostras.

2 MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Descrição do estudo de caso Devido a não se ter informações suficientes em relação ao efeito do percentual de adição do cobre no alumínio vislumbrou-se um estudo da caracterização deste composto a fim de obter dados concretos com a compactação e sinterização. Para determinação do tamanho de partícula do aglomerado as amostras foram analisadas no microscópico eletrônico de varredura (MEV) do centro de microscopia da UFRGS, de marca JEOL modelo 5800 com EDS acoplado. Os pós foram pesados a fim de obter os resultados de suas massas para os cálculos de percentual de cada elemento na mistura. Para a compactação das amostras foi utilizada uma matriz cilíndrica de aço temperado com diâmetro interno (Ø) de 13 mm e 63 mm de altura (h) da cavidade, com o punção superior de 15 mm de altura e o punção inferior de 65 mm de altura. Primeiramente utilizou-se 1,5% de estereato de zinco da massa total da mistura dos pós em suas devidas percentagens, com o objetivo de diminuir o atrito entre os componentes do ferramental de compactação. Para realizar a prensagem do pó junto à matriz, foi utilizada uma prensa hidráulica da marca Bovenau, modelo P30st. As pressões de compactação utilizadas no momento iniciaram em 100Mpa até atingir uma pressão máxima de 1000MPa.

2.2 Sinterização A fim de obter a resistência mecânica deste corpo de prova (peça verde), a mesma foi encaminhada para o processo de tratamento térmico denominado sinterização. Durante esta fase do processo as amostras foram expostas a uma atmosfera controlada por meio de gás argônio. O aquecimento das amostras iniciou em temperatura ambiente (18ºC) e teve um aumentou gradativo com a taxa de 10ºC/min até alcançar o patamar térmico de sinterização com a temperatura de 500ºC, onde permaneceu durante uma hora, realizando assim a sinterização completa e união das partículas metálicas. Após uma hora de exposição das amostras à temperatura de 500ºC, ainda mantendo as peças no interior do forno deu-se inicio o resfriamento destas amostras. O resfriamento atuou com uma taxa média decrescente de 9,53ºC/min até atingir 200ºC, onde a temperatura passou a diminuir a uma taxa média de 5,83ºC/min até a temperatura ambiente, quando foram retiradas do forno.

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2.3 Microscopia ótica Para a realização de microscopia ótica, as amostras foram submetidas ao procedimento de lixamento, realizado em uma politriz metalográfica onde foram utilizadas lixas de papel com abrasivo tipo SiC com granulometrias de número 120, 280, 320, 400, 600 e 1200, sempre trabalhando as amostras em 90 ° de uma lixa para outra até desaparecerem os traços da lixa anterior. As amostras foram submetidas ao polimento com pano de feltro e com abrasivo de Óxido de Alumínio para deixar a superfície das amostras espelhadas. Na sequência, realizou-se limpeza com água corrente e também com álcool. Para realização do ataque químico utilizou-se reagente, HNO350% H2O, durante 10 segundos e após feito a análise das microestruturas com auxílio do microscópico óptico. Depois de realizados os processos de lixamento em diferentes granulometrias e polimento das amostras, as mesmas foram submetidas à análise de microestrutura. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Microscopia eletrônica de varredura dos pós de Alumínio e Cobre O pó de alumínio, 99% de pureza, fornecido pela empresa Alcoa, que serviu como matéria-prima juntamente com o pó de cobre. A Figura 1 apresenta o pó de alumínio que possui partículas menores do que 100 μm e estão dispersas e com formatos irregulares.

Figura 1: Micrografia do pó de alumínio da Alcoa

Observa que o pó de Aluminio apresenta diversos tamanhos, desde 10 μm a particulas menores que 100 μm com formato arredondado. A Figura 2 apresenta o pó de cobre que possui partículas próximas de 10μm até 20 μm.

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Figura 2: Micrografia do pó de Cobre

3.2 Densidade Aparente da Liga Alumínio-Cobre Logo após a mistura, o primeiro resultado obtido foi à densidade aparente. Estes resultados estão descritos na Tabela 1. Tabela 1. Densidade aparente da liga.

Material Alumínio-1% Cobre

Densidade Aparente (g/cm³) 0,907

O valor da densidade aparente é o primeiro ponto da curva de compressibilidade da liga. Após estes resultados, as amostras foram compactadas conforme apresentadas na Tabela 2. CURVA DE COMPRESSIBILIDADE 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pressão de Compressão m (g) 12,08 4,63 4,64 4,63 4,62 4,64 4,61 4,6 4,61 4,6 4,54 h (mm) 52,35 15,56 14,35 13,77 13,48 13,36 13,21 13,16 13,15 13,14 12,93 d (mm) 13,1 12,96 12,97 12,97 12,97 12,97 12,97 12,97 12,97 12,96 12,97 7,05 2,05 1,89 1,82 1,78 1,76 1,74 1,74 1,74 1,73 1,71 v (cm³) d (g/cm³) 1,71 2,26 2,45 2,55 2,60 2,63 2,64 2,65 2,65 2,66 2,66

Tabela 2: Observar-se a curva de compressibilidade da liga com 1% de Cobre.

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Na Figura 3 observar-se a curva de compressibilidade da amostra a verde da liga Al 1% Cobre utilizando-se o princípio de Arquimedes, conforme Norma MPIF42.

Compressibilidade 3,00 ) ³ 2,50 m c / g 2,00 ( e d 1,50 a d i s 1,00 n e D0,50

0,00 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Pressão de Compressão (MPa)

Figura 03: Curva de compressibilidade da liga Al-1%Cobre.

Analisando a Figura 03 percebe-se que pressões entre 500MPa e 600MPa apresentam um melhor resultado, sendo assim, ideais para compactação. Utilizando-se pressões de 100MPa à 500MPa percebe-se aumento de densidade dos corpos de prova. Acima de 500MPa a densidade começa a se estabilizar, devido ao aumento da pressão de compressibilidade, a partir de uma pressão de 500MPa não tem-se melhores resultados de densidade, ou seja, esforço desnecessário empregado no equipamento, já que não há mudança específica no resultado da compressibilidade. Após a coleta de dados dimensionais e elaboração das curvas de compressibilidade, as amostras verdes foram encaminhadas para o processo de sinterização.

Compressibilidade Verde x Densidade do sinterizado 3,00 2,50

) ³ m c 2,00 / g ( e d 1,50 a d i s 1,00 n e D

0,50 0,00

Figura 04: Curva de compressibilidade da liga Al-1%Cobre

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Na Figura 04 observar-se o comparativo entre a curva de compressibilidade das amostras verde e sinterizadas da liga Al 1% Cobre. Após analise da Figura 04 observa-se que a densificação das amostras sinterizadas não foi maior que as amostras a verde, esta dificuldade se apresenta devido à dificuldade quando se trabalha com o alumínio utilizando o processo de metalurgia do pó, o problema se dá devido a presença de uma camada de óxido, que envolve completamente a superfície das partículas de pó com um grande prejuízo tanto na compressibilidade quanto na sinterabilidade das amostras.

3.3 Microdureza Foi realizado o teste de Microdureza em todas as amostras obtidas por Metalurgia do Pó convencional utilizando o Microdurômetro ISH-TDV1 000, com o percentual de cobre propostos para o estudo. Através da análise da Microdureza Vickers, com carga 50g, foi possível observar quais amostras apresentam as melhores condições mecânicas, levando em consideração a pressão utilizada em sua compressibilidade. O ensaio foi realizado utilizando cinco medições para aumentar a precisão dos resultados como está contida na Norma ASTM E 384. A Figura 05 apresenta à evolução da dureza em função a pressão de compactação, posterior a sinterização.

Dureza x Pressão de compactação 50,00 45,00 40,00 ) V35,00 H ( a30,00 z e r 25,00 u d 20,00 o r c i 15,00 M 10,00 5,00 0,00 100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Pressão (MPa)

Figura 05: Dados obtidos das medições de microdureza das amostras sinterizadas.

Analisando os resultados de microdureza verificou-se que o melhor resultado das propriedades mecânicas do sinterizado Al-1% Cu foi obtido com uma pressão de 1000MPa, onde a microdureza ficou mais elevada comparada com os outros corpos de prova, conforme mostra a Figura 05.

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3.4 Análise da Microestrutura Identificou-se a partir da análise metalográfica que houve interação entre o alumínio e o cobre, porém com algumas partículas de cobre isoladas como pode ser observada na Figura 06, houve grande quantidade de porosidade nas amostras.

Porosidade Matriz de Alumínio

Cobre

Figura 06: Metalografia com ataque químico

4. CONCLUSÃO Através do ensaio de dureza, pode-se afirmar que o melhor resultado em relação à propriedade mecânica apresentada na composição de Al-1% Cu compactado a 1000 MPa e sinterizado a temperatura de 500°C, atingindo a dureza de 37,68 HV-50, considerando resultados encontrados em literaturas de durezas entre 40-50 HV-50. Observa-se que a densificação das amostras sinterizadas não foi maior que as amostras a verde, que apresenta devido à dificuldade quando se trabalha com o alumínio utilizando o processo de metalurgia do pó, o problema se dá devido à presença de uma camada de óxido, que envolve completamente a superfície das partículas de pó acarretando um grande prejuízo tanto na compressibilidade quanto na sinterabilidade das amostras.

REFERÊNCIAS 

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