FLÁVIA COSTA DA SILVA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE TiO2 NA OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS A BASE DE LIGA AA2014 FABRICADA VIA METALURGIA DO PÓ

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1 INTRODUđấO

  O tratamento térmico de precipitação éefetuado nas ligas de alumínio com a finalidade de aumentar a dureza e resistência mecânica, em especial as ligas tratáveis termicamente (séries AA 2XXX, 6XXX e 7XXX) destaque àsligas da série 2XXX que apresentam alta resistência para construção de aeronaves. Avaliar 2 a influência do TiO no processo de sinterização, consolidação por extrusão e mecanismo de 2 tratamento de precipitação, por meio de análises térmicas, microscopia ótica e propriedades mecânicas (dureza e resistência a tração).

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

  Segundo Matthews e Rawlings (1994), um material compósito deve satisfazer três critérios para ser considerado como tal: conter uma proporção razoável (5%) decada uma das fases, ser constituído por duas fases de propriedades marcadamente distintas, e obter um material final de propriedades claramente diferenciadas daquelas dos seusconstituintes. Devido à gama de materiais que podem ser considerados como compósitos e da ampla aplicação destes materiais para os quais são desenvolvidos é difícil chegar a uma definiçãoespecífica.

2.1.1 Materiais Compósitos de Matriz Metálica

  A pesquisa e o desenvolvimento de compósitos de matriz metálica têm recebido grande atenção devido à possibilidade de obter melhores propriedades mecânicas, resistênciaao desgaste, resistência térmica e resistência a fadiga As primeiras pesquisas voltadas para o desenvolvimento de CMMs foram feitas nas décadas de 1950 e 1960. Os materiais compósitos de matriz metálica diferem de outros compósitos de várias maneiras, algumas delas são: 1 2 3 4 5 A função da matriz é manter o reforço ligado, em virtude da coesão e adesão, transferir a carga para e entre os reforços e proteger os reforços do ambiente e manuseio.

2.1.2 Materiais Compósitos de Matriz de Alumínio

  A maior parte dos compósitos de matriz metálica desenvolvidos e estudados atualmente são os a base de matriz de alumínio e suas ligas. A Figura 2.1 mostra uma bicicleta em que o quadro é fabricado com matriz metálica a base de alumínio com adição de partículas deB C.

4 Figura 2.1

  Fonte: (www.griffenbicycles.wordpress.com)Desenvolvimentos feitos na área relacionada à materiais compósitos de matriz de alumínio levam em conta os tipos de matrizes, reforços e o processo de fabricação, bem comoas propriedades que podem ser obtidas através de possíveis alterações na matéria-prima e no processo. A fabricação de compósitos de matriz de alumínio reforçado com fibras é complexae cara e é utilizada em aplicações aeroespaciais.

2.1.3 Material de Reforço

  O óxido de titânio é pouco utilizado como material de reforço, e a pesquisa de materiais a respeito deste óxido na forma de partícula adicionado em ligas de alumínio érecente. Ramesh e colaboradores (2005) relataram que a adição de nanopartículas de TiO na 2 liga de alumínio 6061 pode levar a um aumento da dureza e um baixo coeficiente de atrito do material compósito resultante.

2.2.3 Fabricação dos Pós

  A redução de tamanho de partícula através do mecanismo de impacto é feita pelatransferência de energia do impacto para o material causando a quebra, e por conseqüência, a diminuição do tamanho da partícula. A moagem de pós em moinho de bolas é considerada de baixa energia e é um processo mais eficiente na redução de partículas para materiais frágeis como os cerâmicos.

2.2.4 Moagem de Alta Energia – Mechanical Alloying

  Este processo foi desenvolvido paratrabalhar com materiais dúcteis e apresenta a possibilidade de sintetizar novas ligas com elementos normalmente imiscíveis e difícil de serem produzidos por qualquer outra técnica;criar materiais com fases estáveis e metaestáveis, diminuir o tamanho de partícula para valores nanométricos, dispersar óxidos, etc. Fonte: (SURYANARAYANA, 2001)Os parâmetros da moagem caracterizam o processo, a utilização de moinhos do tipo atritor e planetário é comum e possibilita a moagem de três diferentes combinações desistemas (i) dúctil-dúctil, (ii) dúctil-frágil, e (iii) frágil-frágil.

2.2.4.1 Tipos de Moinhos

  A redução do tamanho do pó é causado pelo impacto do pó entre as bolas, entre bolas e a parede da cuba, e entre as bolas e o impulsor. O aumentona proporção de bolas aumenta o número de colisões pela unidade de tempo, consequentemente mais energia é transferida para as partículas do pó e o processo de moagemacontece mais rapidamente.

2.2.4.4 Atmosfera de Moagem

  Tratando-se de moagem de metais, é necessário que haja atmosfera protetiva para evitar oxidação e contaminação do material. Segundo FOGAGNOLO (2000), uma superfície não oxidada, ou limpa, apresenta maior reatividade, facilitando o processo de soldagem e resultando em partículas melhores.

2.2.5 Consolidação dos Pós - Extrusão

  Além de ser uma etapa vital para facilitar o processo de sinterização, pois oferece maior contato entre as partículas, oprocesso de compactação pode ser realizado através de uma prensa mecânica com pressões uniaxial ou isostática e com ou sem temperatura, ambas as técnicas eliminam a porosidade eaumentam a densidade do material. A ruptura da camada de óxido formado no alumínio, como dito anteriormente, é de extrema importância para que haja maior contato entre as partículas e por conseqüência aobtenção de um material de elevada resistência, assim como a ausência de porosidade.

2.2.6 Tratamento Térmico das Ligas de Alumínio

  Uma vez efetuada a solubilização o resfriamento rápido é realizado, normalmente até a temperatura ambiente, para obter uma solução sólida supersaturada dos elementos de liga noalumínio e manter um certo número de vacâncias na rede que favorecem e ajudam a difusão a baixa temperatura, necessário para formação das zonas de Guinier-Preston. O processo de envelhecimento artificial parte de uma solução sólida supersaturada(Figura 2.17a) e tende a formar zonas GP na forma de lâminas finas em forma de disco, com diâmetro de 10 µm , enriquecidas de soluto (cobre), a temperaturas relativamente baixas e nosperíodos iniciais de envelhecimento (Figura 2.17b).

2.3.1 Resistência ao desgaste dos compósitos

  Fonte: (Zum Gahr, 1987)O desgaste triboquímico pode ser caracterizado pela fricção entre duas superfícies O desgaste por fadiga de superfície é caracterizado por formação de trincas e descamação no material devido a ciclos de tensão tribológicos. Fonte: (Zum Gahr, 1987)A resistência ao desgaste de materiais compósitos de matriz de alumínio reforçados com cerâmica geralmente é aumentada com a adição dos reforços, mas é um fator a seravaliado, pois depende da adesão entre matriz e reforço.

3 MATERIAIS E MÉTODOS

  O jarro é refrigerado com fluxo de água e após o carregamento com o pó foifeita a substituição da atmosfera por meio de injeção de fluxo de argônio com pressão de 3 bar durante aproximadamente 15 min. O equipamento utilizado, que pode ser observado na Figura3.7, é composto pelos seguintes itens: um forno, responsável pelo aquecimento da matriz; uma haste guia, que minimiza a deformação ao direcionar o material que sai da matriz; umcontrolador de temperatura responsável pelo fluxo de calor; e um termopar (tipo k) para medir a temperatura do corpo de prova.

3.6.1 Caracterização dos pós

  em atmosfera de argônio: na primeira condição foram analisadas as mudanças que ocorrem até as temperaturas de 580ºC com taxa de 5ºC/min., na segundacondição foi analisado o processo de sinterização aquecendo a amostra a 630ºC e mantendo este patamar por 2h. Para a preparação de microscopia ótica convencional e MEV foi realizado lixamento dos corpos de prova até a grana 1200, polimento com solução de alumina e ataque químicocom HF (5%).

3.6.5 Estudo tribológico

  Foi realizado utilizando uma esfera de alumina, polida, de 6mm de diâmetro, como contracorpo (pino), a seco, com carga de 5N. Depois do ensaio de desgaste as trilhas de desgaste foram avaliadas por meio de microscopia eletrônica de varredura.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES As etapas de análise do material seguem o fluxograma representado na Figura .1

  A adição de nanopartículas de TiO à liga de alumínio, através de moinho planetário, 2 não altera significativamente a morfologia das partículas e estas mantém-se equiaxiais independente da quantidade de TiO presente. Partículas extremamente pequenas, duras, e inertes na matriz podem influenciar este processo de precipitação e a Para a matriz de alumínio com e sem adição de reforço (TiO ) fabricada por extrusão e 2 com tratamento térmico de precipitação (T6), os resultados estão representados na Figura 4.5, e em maiores detalhes na Figura 4.6.

2 Fonte: o autor

  A segregação excessiva de elementos de liga na interface e presença de precipitados grosseirosnão dissolvidos diminui a quantidade de soluto na matriz, levando a uma baixa supersaturação de soluto, diminuindo a força motriz para o fenômeno de precipitação. A matriz semreforço, representada na Figura 4.12a e 4.12b, mostra os precipitados de CuAl , de cor 2 marrom, quando atacados por HF, e brancos quando observados no MEV, estes estão distribuídos de forma homogênea e orientada na direção da extrusão, produzindo umadirecionalidade nas propriedades do material perpendicularmente a direção de extrusão.

2 CuAl

2 TiO 2 e) CuAl

2 TiO

  O mecanismo atuante 2 nesta propriedade é o endurecimento causado pelo processo de extrusão e o tratamento de precipitação, a adição de reforço não teve influência devido à falta de coesão e aglomeração Não foi possível realizar as medidas de dureza no material sinterizado devido à porosidade do material, que pode mascarar os resultados. O compósito com maiores adições de reforço tem menor resistência à tração, quando comparado com o compósito com menor quantidade de reforço, este apresentou valoresmaiores que a liga base, portanto, os que apresentaram melhor comportamento a tração foram os compósitos com a adição de 1,5% e 3,0 % de TiO .

5 CONCLUSÕES

  O TiO disperso na matriz de alumínio atua como uma barreira que dificulta a 2 dissolução total dos precipitados e impede o crescimento destes, aumenta a temperatura solvus em 8,16%. O TiO bloqueia a difusão de calor atrasando a cinética de precipitação, diminui a 2 formação das zonas GP, devido a baixa concentração de vacâncias na matriz causada pela grande área de interface matriz-reforço, que é um sumidouro de vacâncias.

2 No processo de sinterização o TiO cria uma barreira térmica e física entre as

  A dureza e a resistência a tração mantiveram-se iguais a liga semreforço, prejudicando somente a resistência ao desgaste, pois a partícula de TiO se desprende 2 da matriz e atua como um agente abrasivo. Observou-se a necessidade de se otimizar e melhorar as etapas do processo de moagem evitando a aglomeração de reforços e melhor distribuição do tamanho das partículas.

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