BR112019006573B1 - Processo de obtenção de produtos semiacabados e deformados a partir de ligas à base de alumínio - Google Patents
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Abstract
A invenção refere-se à área da metalurgia e pode ser usada na obtenção de produtos semiacabados deformados na forma de perfis de diversas secções. Foi proposto o método de obtenção de produtos semiacabados deformados a partir do derretimento à base de alumínio, incluindo as seguintes etapas: e) a preparação do derretimento, contendo ferro e, pelo menos, um elemento selecionado do grupo: zircónio, silício, magnésio, cobre e escândio; b) a obtenção de um lingote fundido do comprimento contínuo, através da cristalização do derretimento com a velocidade de resfriamento, proporcionando a formação de uma estrutura fundida, que se caracteriza pelo tamanho de uma célula dendrítica não superior a 60 μm; c) a obtenção de um produto semiacabado deformado da secção transversal final ou intermédia por meio da laminação a quente da peça sob uma temperatura inicial não superior a 520°C, com um grau de deformação de até 60% e utilizando de modo opcional, pelo menos, uma das operações seguintes: a extrusão da peça dentro do intervalo de temperaturas de 300 a 500°C, através da passagem da peça através de um orifício (matriz); a têmpera do resultante produto semiacabado deformado em água em uma temperatura abaixo de 450°^. Enquanto o produto semiacabado deformado possui uma estrutura (...).
Description
[001] A invenção refere-se à área da metalurgia e pode ser usada para a obtenção de produtos semiacabados e deformados em perfis de diferentes secções transversais, barras, aço laminado, incluindo fio-máquina e outros produtos semiacabados de alumínio industrial e ligas feitas a partir dele. Os produtos semiacabados e deformados podem ser usados na engenharia elétrica, na produção de cabos e fios, arames de soldadura, na construção e outras aplicações. Nível anterior de engenharia
[002] Para a fabricação de produtos de ligas de alumínio deformáveis usam-se várias formas de obtenção desses produtos, que, mantendo-se constantes a diversas condições, determinam o nível final de suas propriedades mecânicas. Contudo, nem sempre se pode alcançar um alto nível de diferentes características físico-mecânicas, em particular, um alto nível de resistência de um material, geralmente resulta em um nível mais baixo de plasticidade, e vice-versa.
[003] Durante a fabricação de fios de alumínio laminados, o processo mais comum é a fundição contínua de lingotes, trabalhando esses lingotes para transformá-los em fios laminados a quente e enrolando-os em bobina a seguir. Esse método é amplamente utilizado para a produção de fio- máquina, equipamento elétrico, em particular, a partir do alumínio industrial, ligas Al-Zr e ligas de grupos das séries 1xxx, 8xxx e 6xxx. Os principais fabricantes desses equipamentos são VNIIMETMASH (http://vniimetmash.com) e Properzi (http://www.properzi.com). A principal vantagem deste equipamento, antes de mais nada, é o alto desempenho do processo da produção de fio-máquina. Entre as desvantagens deste método deve-se destacar: 1) o esquema de deformação através da laminação não permite fabricar os itens de formatos complexos (principalmente, peças angulares e outros produtos semiacabados de secção transversal assimétrica); 2) se usar apenas o processo de laminação, em geral, não será possível atingir grandes valores do alongamento relativo, uma vez que para aumentar o alongamento relativo é necessária a aplicação de mais de uma operação de tratamento térmico.
[004] Geralmente, durante um único ciclo de laminação a quente, também não é possível realizar grandes deformações, o que requer a instalação ordenada de focos de deformação, em particular, o uso de moinhos de muitos rolos, o que requer o uso de grandes áreas nas oficinas para instalar o equipamento.
[005] Existe um outro modo de produção de ligas de alumínio, e o método de sua obtenção está descrito na patente da Alcoa US20130334091A1. O método de lingotamento contínuo de tiras e tratamento térmico inclui as seguintes operações básicas: lingotamento contínuo de tiras, laminação até a tira final ou tiras intermediárias e têmper a respectivamente. Para atingir o nível de desempenho do método proposto, se prevê um tratamento térmico obrigatório de produtos semiacabados deformados, em particular, a fita laminada, que em alguns casos traz complexidade ao processo da produção.
[006] O processo de obtenção do fio descrito na patente US3934446 parece ter maior semelhança com a presente invenção. O método prevê um processo contínuo de fabricação de arame em várias etapas integradas: a laminação de uma peça e a sua posterior extrusão. Entre as desvantagens da invenção proposta, deve-se destacar a falta de parâmetros do processo (temperatura do lingote, o grau de deformação, e outros), permitindo atingir o nível exigido das características físicas e mecânicas. Descrição da invenção
[007] O objetivo da invenção é a criação de uma nova forma de obtenção de produtos semiacabados deformáveis, fornecendo ligas de alumínio, deformáveis com ligas de ferro com pelo menos um dos elementos do grupo à seguir: zircônio, silício, magnésio, níquel, cobre e escândio -um elevado nível cumulativo de características físicas e mecânicas, em particular, um alto nível de alongamento relativo (não inferior a 10%), resistência temporária à tração e um alto nível de condutividade.
[008] O resultado técnico é a solução do problema colocado, tendo atingido um elevado nível cumulativo de características físicas e mecânicas no enquadro de uma única fase tecnológica de produção, sem a aplicação de muitas etapas desenvolvimento, tais como, operações separadas de produção de rolo de arame, a sua têmpera ou recozimento.
[009] A solução do problema e a realização do resultado técnico acima referido consiste na proposta do método de produção de produtos semiacabados, deformados a partir da liga à base de alumínio, incluindo: e) a preparação do derretimento, contendo ferro e, pelo menos, um elemento do seguinte grupo de metais: zircónio, silício, magnésio, níquel, cobre e escândio. b) a obtenção de um lingote de cumprimento contínuo através da cristalização da mistura fundida, com a velocidade de resfriamento, proporcionando a formação de uma estrutura fundida, que se caracteriza pelo tamanho de uma célula dendrítica não superior a 70 μm. a) a obtenção de um produto semi-acabado deformado da secção transversal final ou intermédia pela laminação a quente de uma peça sob a temperatura inicial não superior a 520°C, com o grau de deformação de até 60% (preferencialmente de até 50%), utilizando como opção, pelo menos uma das operações seguintes: - a extrusão da peça, dentro do intervalo das temperaturas de 300 a 500°C, fazendo a peça passar através de um orifício (matriz); - a têmpera na água do resultante produto semi-acabado deformado, sob a temperatura abaixo de 450°C.
[010] Como resultado, a estrutura do produto semi-acabado deformado é uma matriz de alumínio, com os elementos ligantes e partículas eutéticas distribuídas em seu interior com uma dimensão transversal superior a 3 μm.
[011] Em casos particulares, os produtos podem ser laminados à temperatura ambiente (cerca de 23-27°C).
[012] Um produto extrudido também pode ser laminado fazendo-o passar através de uma série de laminadores.
[013] É aconselhável usar a seguinte faixa de concentração de elementos ligantes, % em peso: Ferro 0,08 - 0,25 Zircónio até 0,26 Silício 0,05 - 11,5 Magnésio até 0,6 Estrôncio até 0,02
[014] Segue abaixo, a justificativa dos parâmetros declarados do processo de fabricação das peças deformadas a partir desta liga.
[015] Dependendo dos requisitos específicos para o nível final das características, a fusão irá conter ferro e, pelo menos, um elemento do grupo seguinte: Zr, Si, Mg, Ni, Sc, em particular: a) para um produto semi-acabado deformado resistente ao calor (com temperatura operacional de até 300°C) - ferro e, pelo menos, um elemento do grupo tal como zircónio e escândio; b) para um produto semi-acabado deformado de alta resistência mecânica (não inferior a 300 Mpa) - ferro, silício e magnésio; c) para o arame de solda - ferro e, pelo menos, um elemento do grupo - silício, zircônio, manganês, silício, estrôncio e escândio; d) para um fio fino - ferro e, pelo menos, um elemento do grupo - níquel, cobre e silício.
[016] Como se sabe, o tamanho dos componentes estruturais de um lingote fundido, dependente diretamente da velocidade de resfriamento no intervalo de cristalização, incluindo o tamanho da célula dendrítica, componentes eutéticas etc. Portanto, a redução da velocidade de cristalização, sob a qual se forma uma célula dendrítica menor que 60 μm, pode levar à formação das fases mais grossas da natureza eutética, assim piorando a sua processabilidade durante o seu tratamento por deformação ulterior, levando assim a uma redução do nível geral de características mecânicas em finos produtos semiacabados deformados (tais como arame fino e perfis finos). Além disso, a redução da velocidade de resfriamento abaixo da meta, não irá garantir a formação de uma solução sólida supersaturada durante a cristalização da peça, em particular, nos termos do teor de zircônio, assim piorando o nível final das características físicas e mecânicas dos produtos semiacabados deformados.
[017] Dado a temperatura de laminação do lingote original superior a 550°C, na liga deformada, podem ocorrer processos dinâmicos de recristalização, o que poderia ter um efeito negativo sobre o nível geral das características estruturais do produto semi-acabado resultante nos termos do seu uso posterior.
[018] Para ligas deformáveis contendo zircônio, a temperatura da peça original não deve exceder a 450°C, caso contrário, na sua estrutura podem ser formadas grossas separações de fases secundárias de Al3Zr (L12) ou separações de fases secundárias de Al3Zr (D023).
[019] Se a temperatura de extrusão de um lingote laminado for superior a 520°C, então, na liga deformada podem ocorrer processos dinâmicos de recristalização, o que pode impactar negativamente o nível geral de características estruturais. Se a temperatura de extrusão de um lingote laminado for inferior a 400°C, isso poderia levar a uma pior processabilidade durante a extrusão.
[020] A redução da temperatura durante a têmpera abaixo de 450°C, resultará na liberação prematura da solução sólida de alumínio, exercendo um impacto negativo no nível de propriedades de resistência.
[021] Os exemplos de aplicações específicas do método proposto se encontram abaixo.
[022] O modo de fabricação de um lingote fundido afeta os parâmetros estruturais das ligas do sistema Al-Zr, sendo esse efeito menos pronunciado no caso de outros sistemas. Para as ligas do sistema Al-Zr, todo o zircônio deve entrar na solução sólida de alumínio, o que é conseguido por meio: 1) do aumento da temperatura acima da temperatura liquidus para o sistema Al-Zr; e 2) velocidade de resfriamento durante a cristalização.
[023] Por ser quase impossível medir diretamente a velocidade de resfriamento em uma instalação industrial, embora, a velocidade de resfriamento tenha uma correlação direta com a célula dendrítica, esse parâmetro foi introduzido como critério.
[024] A partir de uma liga do sistema Al-Zr, contendo 0,26% de Zr, 0,24% de Fe e 0,06% de Si (% em peso), foram fundidos em laboratório, lingotes (com uma área da secção transversal de 1520 mm2) sob diferentes condições de cristalização. As condições da cristalização sofreram variação pelo grau de aquecimento do molde. A temperatura de fundição em todos as variações era de 760°C.
[025] Tendo usado a análise metalográfica (microscopia eletrônica de varrimento) foi avaliada a estrutura de lingotes fundidos e barras deformadas com o diâmetro de 9,5 mm, obtidas pela laminação. A temperatura inicial de um lingote fundido antes da sua laminação era de 500°C. Os resultados das medições estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Efeito da velocidade de resfriamento sob a estrutura do lingote fundido e o tamanho final das fases eutéticas contendo ferro.
(Al) - solução de alumínio sól ida; Al3Zr (DO23) — os cristais primários da fase de Al3Zr com grade cristalina tipo D023; * - devido à presença de cristais primários, os lingotes não foram laminados
[026] A partir dos resultados apresentados na Tabela 1, concluímos que durante a funcição de lingotes, a velocidade de resfriamento de 5°C/s ou inferior, na estrutura da liga Al-Zr, formam-se cristais primários da fase Al3Zr (D023), sendo um defeito estrutural irreparável.
[027] Como vemos na Tabela 1, no intervalo da cristalização, somente quando a velocidade de resfriamento é de 7°C/s ou superior, a estrutura de lingote é representada por uma solução de alumínio sólida (Al), em cujo fundo distribuem-se estrias de Fe contendo fases eutéticas de tamanho 3,8 μm ou inferior.
[028] Para fins de avaliação, diante da deformação dos lingotes n.° 3-6 (Tabela 1) foram obtidos os produtos laminados com diâmetro de 9,5 mm, a partir dos quais foram obtidos fios finos de diâmetro de 0,5 mm. Os resultados da processabilidade na trefilagem e a definição das propriedades mecânicas do fio após o recozimento estão descritos na Tabela 2. Tabela 2 - Propriedades mecânicas do fio de 0,5 mm em diâmetro
[029] Como se pode ver na Tabela 2, somente com a velocidade de resfriamento de 11°C/s ou superior, quando são formadas as partículas eutéticas contendo Fe, proporciona-se uma alta processabilidade na fase de trefilagem de um arame fino de 0,5 mm em diâmetro. A alta processabilidade é alcançada quando obtido o tamanho máximo de partículas da fase contendo Fe não superior a 3,1 μm.
[030] A partir de uma liga que contém 11,5% de Si, 0,02% de Sr e 0,08% de Fe (% em peso), pelas sucessivas operações de laminação e extrusão, foram obtidos os produtos semiacabados deformados na forma de barras de 12 mm em diâmetro.
[031] As secções transversais originais de lingotes fundidos eram de 1080, 1600 e 2820 mm2. A laminação de um lingote fundido e a extrusão de um lingote laminado foram realizadas sob diferentes temperaturas. Os parâmetros de laminação e extrusão estão apresentados na Tabela 3. Tabela 3 - Parâmetros de laminação e extrusão da liga Al- 11,5%Si-0,02%Sr
*- pequenas rachaduras ocorridas durante laminação
[032] A partir da liga, contendo Al-0,6%Mg-0,5%Si- 0,25%Fe, foram obtidas barras, usando diferentes regimes de deformação: laminação, extrusão e uma técnica combinada de laminação e extrusão. A tabela 4 mostra uma análise comparativa das propriedades mecânicas à tração. A seção transversal original do lingote foi de 960 mm2. A temperatura da laminação e extrusão era de 450 °C. O diâmetro final da barra após a deformação era de 10 mm. Os ensaios foram realizados após 48 horas de maturação das amostras. O comprimento efetivo durante a realização do ensaio de tração foi de 200 mm. Tabela 4 - Propriedades mecânicas à tração
[033] Os resultados apresentados levam a concluir, que os melhores valores de alongamento relativo (δ) foram alcançados com a utilização da extrusão ou de um processo combinado de extrusão e laminação. A diferença de valores de alongamento relativo neste caso é alcançado na formação de uma estrutura fina durante laminação e extrusão. Após o processo de extrusão cria-se uma estrutura poligonal, com tamanho médio de subgrãos não superiores a 150 nm, ao contrário da laminação, onde uma estrutura fina é predominantemente representada com uma estrutura celular.
[034] A partir da liga de alumínio, contendo Al- 0,45%Mg-0,4%Si-0,25%Fe (designação 1) e Al-0,6%Mg-0,6%Si- 0,25%Fe (designação 2) na Tabela 5, foram obtidas barras por meio da utilização de um esquema combinado de laminação e extrusão através de vários modos. As temperaturas de laminação e extrusão estão apresentadas na Tabela 5. A seção transversal do lingote original é 960 mm2. O grau de deformação durante a laminação foi de 50 %. O grau de deformação durante a extrusão foi de 80 %. As barras obtidas foram intensamente arrefecidas com água quando saíram da extrusora, para que fosse obtida uma solução sólida supersaturada com elementos ligantes. A seção transversal original do lingote foi de 960 mm2. A temperatura de laminação e extrusão variou no intervalo de 520-420 °C, o que permitiu a obtenção de diferentes temperaturas da peça extrudida. As perdas de temperatura no processo de laminação e extrusão ficaram no intervalo de 20 a 40°C. O diâmetro final de uma barra após a deformação foi de 10 mm. Os ensaios foram realizados após 48 horas de maturação das amostras. O comprimento efetivo durante a realização do ensaio de tração foi de 200 mm.
[035] A tabela 5 mostra uma análise comparativa do alongamento relativo e da resistência elétrica específica. Os valores de uma resistência elétrica específica levaram-nos a concluir sobre a queda da solução sólida de alumínio (a uma condição supersaturada das ligas 1 e 2 corresponde ao valor de 32,5 ±0,3 e 33,1±0,3 μQ*mm, respectivamente). Tabela 5 - Valores do alongamento relativo e da resistência elétrica específica em função da temperatura da barra ao sair da extrusora
[036] Por meio dos resultados apresentados na Tabela 5, podemos concluir, que para atingir uma solução supersaturada após a extrusora e intensa refrigeração com água, a temperatura do lingote original deve ser de cerca de 520°C, e após o processo de extrusão a temperatura do lingote não deve ser inferior a 490°C que, no caso da têmpera, oferece a possibilidade de se obter uma solução de alumínio supersaturada na solução extrudada.
[037] A partir do alumínio industrial, contendo 0,24% de Fe e 0,06% de Si (% em peso), tendo utilizado um processo combinado de laminação e extrusão, foi obtida um fio laminado com diâmetro de 9,5 mm. O processo de obtenção do fio laminado incluiu as seguintes operações: - a fundição contínua do lingote com a velocidade de resfriamento, proporcionando a formação das células dendríticas com tamanho médio de cerca de 30 μm. Diante disso, a estrutura do lingote fundido na forma de uma solução de alumínio, em cujo fundo eram distribuídas as estrias eutéticas da fase contendo Fe com um tamanho máximo não superior a 1,5 μm. - a laminação a quente quando a temperatura do lingote fundido for de cerca de 400°C, com um grau de deformação de 50%; - a extrusão posterior do lingote com o grau de deformação de 78 % até a barra de 15 mm - a laminação da barra até o fio de 9,5 mm.
[038] A tabela 6 apresenta os dados da análise comparativa das propriedades mecânicas à tração do fio, obtidos por meio de um processo combinado e também de um esquema tradicional de fabricação contínua do fio laminado em máquinas fundidoras/laminadoras da VNIIMETMASH. Tabela 6 - Valores das propriedades mecânicas dos processos combinados de laminação e extrusão, utilizando os equipamentos da VNIIMETMASH
[039] O alto valor do alongamento relativo em lingotes obtidos pelo processo combinado, oferece os valores do alongamento relativo 25% mais altos, em comparação com o modo tradicional da fabricação do fio laminado.
[040] O arame de 3,2 mm em diâmetro foi obtido pelo processo combinado da laminação e da extrusão, a partir das barras com diâmetro de 12 mm. A seção transversal original do lingote foi de 1520 mm2. O grau de deformação no resultado da laminação foi de 45%, e no resultado da extrusão - 86%. As barras resultantes com diâmetro de 12 mm foram tratadas termicamente sob a temperatura de 375°C durante 150 horas, a partir das quais o arame finalmente foi obtido.
[041] A perda das propriedades foi avaliada após recozimento do arame sob a temperatura de 400°C durante 1 hora, sendo calculado a partir da relação: ΔO = ( Oorig Orecoz)/ Oorig •100 %, onde Oorig - nível original da resistência temporária do arame Orecoz — nível da resistência temporária do arame após o recozimento sob a temperatura de 400°C durante 1 hora. Tabela 7 - Influência dos parâmetros do processo combinado de laminação e extrusão da liga Al-0,25%Zr na perda de propriedades do arame após o recozimento sob a temperatura de 400°C durante 1 hora
* - A precisão de manutenção da temperatura da peça no processo de fabricação foi de 10°C.
[042] Com base nos resultados apresentados na Tabela 7, pode ser visto, que sob o impacto de altas temperaturas, o lingote fundido perde suas propriedades nas medidas superiores a 12%, devido ao processo esporádico (radial) de decomposição da solução sólida de alumínio acompanhado pela formação parcial da fase Al3Zr já durante o processamento de deformação. No caso da redução da temperatura, não foi observada nenhuma queda esporádica. Com a diminuição da temperatura abaixo de 300°C, o arame foi caracterizado por valores mais elevados do que a resistência temporária à tração, o que levou a uma maior queda das propriedades de resistência no resultado do recozimento.
Claims (8)
1. Método de obtenção do produto semiacabado deformado da liga à base de alumínio caracterizado por incluir as seguintes etapas: e) a preparação do derretimento, contendo ferro e, pelo menos, um elemento selecionado do grupo: zircónio, silício, magnésio, cobre e escândio; b) a obtenção do lingote fundido do comprimento contínuo, por meio da cristalização do derretimento com a velocidade de resfriamento, proporcionando a formação uma estrutura fundida, que se caracteriza pelo tamanho de uma célula dendrítica não superior a 60 μm; a) a obtenção do lingote fundido da secção transversal final ou intermédia, por meio da laminação a quente da peça quando sua temperatura inicial não for superior a 520°C, com o grau de deformação de até 60% e utilizando de modo opcional, pelo menos, uma das operações seguintes: - a extrusão da peça, dentro do intervalo das temperaturas de 300 a 500°C, fazendo a peça passar através de um orifício (matriz); - a têmpera em água do resultante do produto semiacabado deformado sob uma temperatura, pelo menos, de 450°C; assim, o produto semiacabado deformado tem uma estrutura de uma matriz de alumínio, dentro da qual distribuem-se, pelo menos, um elemento ligante selecionado e as partículas eutéticas de tamanho máximo de 3 μm.
2. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fio laminado fabricar-se sob a temperatura ambiente.
3. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a laminação do produto extrudido fazer-se pela passagem dele através de uma série de laminadoras.
4. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por usar-se a seguinte faixa de concentração de elementos ligantes, % em peso:
5. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por para se obter um produto semiacabado deformado resistente ao calor, com a temperatura operacional de até 300°C, a composição do derretimento dever incluir ferro e, pelo menos, um elemento do grupo de zircónio e escândio.
6. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por para se obter um produto semiacabado deformado com níveis elevados de resistência estrutural, não inferior a 300 Mpa, o derretimento dever incluir ferro, silício e magnésio.
7. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, para se obter um produto semiacabado deformado para a fabricação de arame de solda, o derretimento dever incluir ferro e, pelo menos, um elemento do grupo de silício, zircônio, manganês, silício, estrôncio e escândio.
8. O método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por para se obter um produto semiacabado deformado para a fabricação do arame fino, o derretimento dever incluir ferro e, pelo menos, um elemento do grupo de níquel, cobre e silício.
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