BR9917098B1 - processo de tratamento de uma liga de alumìnio. - Google Patents
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Description
"PROCESSO DE TRATAMENTO DE UMA LIGA DE ALUMÍNIO"
A invenção refere-se a um processo de tratamento de uma ligade alumínio consistindo de
- 0,5-2,5%, em peso de uma mistura de formação de liga demagnésio e silício, a razão molar de Mg/Si estando entre 0,70 e 1,25,
- uma quantidade adicional de Si igual a 1/3 da quantidade deFe, Mn e Cr na liga, sendo expressada por % em peso,
- outros elementos de formação de liga e impurezasinevitáveis, e
- o resto sendo constituído de alumínio,cuja liga, após resfriamento, foi submetida à homogeneização,pré-aquecimento antes da extrusão e envelhecimento, cujo envelhecimentoocorre, após extrusão, como uma operação de envelhecimento de etapa dual auma temperatura de manutenção final entre 160 e 220 0C.
Um processo deste tipo foi descrito na WO 95. 06759. Deacordo com esta publicação, o envelhecimento é executado em umatemperatura entre 150 e 200 0C, e a taxa de aquecimento está entre 10-100°C/h, preferivelmente de 10 -70 °C/h. É proposto um programa deaquecimento em dois estágios alternativos, em que uma temperatura demanutenção na faixa de 80 - 140 0C é sugerida, de modo a ser obtida umataxa de aquecimento total dentro da faixa acima especificada.
É geralmente conhecido que quantidades totais mais elevadas deMg e Si terão um efeito positivo sobre as propriedades mecânicas do produto final,enquanto que isto possui um efeito negativo sobre a capacidade de extrusão da ligade alumínio. Foi previamente antecipado, que a fase de endurecimento das ligas deAl-Mg-Si tinha uma composição próxima à de Mg2Si. Entretanto, era tambémconhecido que um excesso de Si produzia propriedades mecânicas mais elevadas.
Os últimos experimentos demonstraram que a seqüência deprecipitação é bastante complexa e que exceto quanto à fase de equilíbrio, asfases envolvidas não tinham a razão estequiométrica de Mg2Si. Em umapublicação de S. J. Andersen, et al., Acta Mater, Vol. 46 N°9 págs. 3283-3298 de 1998 foi sugerido que uma das fases de endurecimento das ligas deAl-Mg-Si possui uma composição próxima à Mg5Si6.
E portanto um objeto da invenção prover um processo paratratamento de uma liga de alumínio que resulta em uma liga possuindomelhores propriedades mecânicas e uma melhor capacidade de extrusão, cujaliga possui uma quantidade mínima de agente de formação de liga e umacomposição geral, que está tão próxima quanto possível das ligas de alumíniotradicionais. Este e outros objetos são obtidos pelo fato de que o envelhecimentoinclui um primeiro estágio, no qual a extrusão é aquecida com uma taxa deaquecimento acima de 100 °C/h, a uma temperatura entre 100-170 °C, um segundoestágio, no qual a extrusão é aquecida com uma taxa de aquecimento entre 5 e 50°C/h até uma temperatura de manutenção final, e pelo fato de que o ciclo deenvelhecimento total é realizado em um tempo entre 3 e 24 horas.
A razão de Mg/Si ótima é aquela, em que todo o Mg e Si disponívelé transformado em fases de Mg5Si6. Esta combinação de Mg e Si fornece aresistência mecânica mais elevada com o uso mínimo dos elementos de formação deliga Mg e Si. Foi verificado que a velocidade de extrusão máxima é quaseindependente da razão de Mg/Si. Portanto, com a razão de Mg/Si ótima, a soma deMg e Si é minimizada para um certo requerimento de resistência e esta liga irátambém proporcionar a melhor capacidade de extrusão. Pelo uso da composição deacordo com a invenção combinada com o procedimento de envelhecimento de taxadupla de acordo com a invenção, foi obtido que a resistência e a capacidade deextrusão sejam maximizadas com um tempo de envelhecimento total mínimo.
Em adição à fase Mg5SÍ6, existe também outra fase deendurecimento, que contém mais Mg do que a fase Mg5Sig. Entretanto, estafase não é tão efetiva, e não contribui tanto para a resistência mecânica que afase Mg5Si6. No lado rico em Si da fase Mg5Si6, não existe maisprovavelmente fase de endurecimento e razões de Mg/Si mais baixas do que 5/6 não serão benéficas.
O efeito positivo sobre a resistência mecânica doprocedimento de envelhecimento de taxa dupla pode ser explicado pelo fatode que um tempo prolongado em baixa temperatura geralmente aumenta aformação de uma densidade mais alta de precipitados de Mg-Si. Se toda aoperação de envelhecimento for executada em tal temperatura, o tempo deenvelhecimento total estará acima dos limites práticos e a passagem nosfornos de envelhecimento será muito baixa. Através de um lento aumento datemperatura para a temperatura de envelhecimento total, o alto número deprecipitados nucleados em baixa temperatura irá continuar a crescer. Oresultado será um alto número de precipitados e valores de resistênciamecânica associados com o envelhecimento em baixa temperatura, mas comum tempo de envelhecimento bastante mais curto do que o tempo deenvelhecimento total.
Um envelhecimento de dois estágios pode tambémproporcionar aperfeiçoamentos na resistência mecânica, mas com umaquecimento mais rápido a partir da primeira temperatura de manutenção paraa segunda temperatura de manutenção existe uma possibilidade substancialde reversão dos precipitados menores, com um número mais baixo deprecipitados de endurecimento e, deste modo, uma resistência mecânica maisbaixa como um resultado. Outro benefício do procedimento deenvelhecimento de taxa dupla, quando comparado ao envelhecimento normale também ao envelhecimento em dois estágios, é o de que uma lenta taxa deaquecimento irá assegurar uma melhor distribuição de temperatura na carga.A história de temperatura das extrusões na carga será quase independente dotamanho da carga, da densidade de compactação e da espessura da parede dasextrusões. O resultado será propriedades mecânicas mais consistentes do quecom outros tipos de procedimentos de envelhecimento.Quando comparado com o procedimento de envelhecimentodescrito na WO 95. 06759, em que a taxa de aquecimento lento é iniciada apartir da temperatura ambiente, o procedimento de envelhecimento de taxadupla irá reduzir o tempo de envelhecimento total pela aplicação de uma taxade aquecimento rápida a partir da temperatura ambiente a temperaturas entre100 e 170 0C. A resistência resultante será quase igualmente boa quando oaquecimento lento é iniciado em uma temperatura intermediária, do que se oaquecimento lento for iniciado em temperatura ambiente.
Dependendo da classe de resistência considerada, diferentes composições são possíveis dentro do escopo geral da invenção.
Assim, é possível ter uma liga de alumínio com umaresistência à tração na classe F19-F22, em que a quantidade de mistura deformação de liga de magnésio e de silício está entre 0,60 a 1,10%, em peso.Para uma liga com uma resistência à tração na classe F25-F27, é possível usaruma liga de alumínio contendo entre 0,80 e 1,40, em peso, de uma mistura deformação de liga de magnésio e silício e para uma liga com uma resistência àtração na classe F29-F31, é possível usar uma liga de alumínio contendoentre 1,10 e 1,80%, em peso, da mistura da formação de liga de magnésio esilício.
Preferivelmente e de acordo com a invenção, uma resistência àtração na classe F19 ( 185-220 MPa) é obtida por uma liga contendo entre0,60 a 0,80%, em peso, de uma mistura de formação de liga, uma resistência àtração na classe F22 (215-250 MPa) por uma liga contendo entre 0,70 e0,90%, em peso, de uma mistura de formação de liga, uma resistência à traçãona classe F25 (245-270 MPa) por uma liga contendo entre 0,85 e 1,15%, empeso, de uma mistura de formação de liga, uma resistência à tração na classeF27 ( 265-290 MPa) por uma liga contendo entre 0,95 e 1,25%, em peso, deuma mistura de formação de liga, uma resistência à tração na classe F29(285-310 MPa) por uma liga contendo entre 1,10 e 1,40%, em peso, de umamistura de formação de liga, e uma resistência à tração na classe F31 (302-330 MPa) por uma liga contendo entre 1,20 e 1,55%, em peso, de umamistura de formação de liga.
Com adições de Cu, que, como uma regra do polegar, aumentaa resistência mecânica em 10 MPa por 0,10%, em peso, de Cu, a quantidadetotal de Mg e Si pode ser reduzida e ainda corresponder a uma classe deresistência mais alta do que as adições de Mg e Si proporcionariamisoladamente.
Pela razão acima descrita, é preferido que a razão molar deMg/Si resida entre 0,75 e 1,25, e mais preferivelmente entre 0,8 e 1,0.
Em uma modalidade preferida da invenção, a temperatura deenvelhecimento final é de, pelo menos, 165 0C, e mais preferivelmente atemperatura de envelhecimento é, no máximo, de 205 °C. Quando do usodestas temperaturas preferidas, foi verificado que a resistência mecânica émaximizada, enquanto que o tempo de envelhecimento total permanecedentro de limites razoáveis.
De modo a reduzir o tempo de envelhecimento total naoperação de envelhecimento de taxa dupla, é preferido executar o primeiroestágio de aquecimento na taxa de aquecimento mais alta possível disponível,embora, como uma regra, isto dependa do equipamento disponível. Portanto,é preferido usar no primeiro estágio de aquecimento uma taxa deaquecimento de, pelo menos, 100 °C/h.
No segundo estágio de aquecimento, a taxa de aquecimentoprecisa ser otimizada tendo em vista a eficiência total no tempo e a qualidadefinal da liga. Por aquela razão, a segunda taxa de aquecimento épreferivelmente de 7 °C/h e, no máximo, de 30 °C/h. Em taxas deaquecimento mais baixas do que 7 °C/h, o tempo de envelhecimento total serálongo com uma baixa passagem nos fornos de envelhecimento como umresultado, e em taxas de aquecimento mais altas do que 30 °C/h, aspropriedades mecânicas serão mais baixas do que o ideal.
Preferivelmente5 o primeiro estágio de aquecimento iráterminar em 130-160 0C e nestas temperaturas existe uma precipitaçãosuficiente da fase de Mg5Si6 para a obtenção de uma alta resistência mecânica da liga. Uma temperatura final mais baixa do primeiro estágio irá geralmenteconduzir a um tempo de envelhecimento total aumentado. Preferivelmente, otempo de envelhecimento total é, no máximo, de 12 horas.
De modo a ter um produto extrudado com quase todo o Mg eSi em solução solida antes da operação de envelhecimento, é importante controlar os parâmetros durante a extrusão e o resfriamento após a extrusão.Com os parâmetros corretos, isto pode ser obtido por pré-aquecimentonormal. Entretanto, pelo uso de um assim denominado processo desuperaquecimento descrito na EP 0302623, que é uma operação de pré-aquecimento, em que a liga é aquecida a uma temperatura entre 510 e 560 0Cdurante a operação de pré-aquecimento antes da extrusão, após o que ostarugos são resfriados a temperaturas de extrusão normais, isto irá assegurarque todo o Mg e Si adicionados à liga sejam dissolvidos. Pelo resfriamentoapropriado do produto extrudado, o Mg e Si são mantidos dissolvidos edisponíveis para formar precipitados de endurecimento durante a operação deenvelhecimento.
Para baixas composições de liga, a dissolução de Mg e Sipode ser obtida durante a operação de extrusão, sem superaquecimento, se osparâmetros de extrusão estiverem corretos. Entretanto, com composições deliga mais altas, as condições de pré-aquecimento normais não são sempre suficientes para colocar todo o Mg e Si em solução sólida. Em tais casos, osuperaquecimento tornará o processo de extrusão mais robusto e irá sempreassegurar que todo o Mg e Si estejam em solução sólida quando o perfil saida prensa.
Outras características e vantagens se tornarão claras a partir dadescrição que se segue de um número de testes executados com ligas deacordo com a invenção.
Exemplo 1:
Oito diferentes ligas com a composição dada na Tabela 1foram fundidas como tarugos de 095 mm com condições de fundição padrõespara ligas 6060. Os tarugos foram homogeneizados com uma taxa deaquecimento de aproximadamente 250 °C/h, o período de manutenção foi de2 horas e 15 minutos a 575 °C, e a taxa de resfriamento após ahomogeneização foi de aproximadamente 350 °C/h. As toras foramfinalmente cortadas em tarugos de 200 mm de comprimento.
Tabela 1:
<table>table see original document page 8</column></row><table>
O ensaio de extrusão foi executado em uma prensa de 800 tonequipada com um recipiente de 0 100 mm, e um forno de indução paraaquecer os tarugos antes da extrusão.
A matriz usada para os experimentos quanto à capacidade deextrusão produziu uma haste cilíndrica com um diâmetro de 7 mm com duasnervuras de 0,5 mm e 1 mm de altura, localizadas com um afastamento de180 °C.
De modo a obter boas medições das propriedades mecânicasdos perfis, um ensaio separado foi executado com uma matriz, que forneceuuma barra de 2x25 mm2. Os tarugos foram pré-aquecidos a aproximadamente500 °C antes da extrusão. Após a extrusão, os perfis foram resfriados em arparado, fornecendo um tempo de resfriamento de aproximadamente 2minutos a menos em temperaturas abaixo de 250 °C. Após a extrusão, osperfis foram estirados a 0,5%. O tempo de armazenamento em temperaturaambiente foi controlado antes do envelhecimento. As propriedades mecânicasforam obtidas por meio de verificação de tração.
Os resultados completos dos testes de capacidade de extrusãopara estas ligas são apresentados na tabela 2 e 3.
Tabela 2. Testes de extrusão para ligas 1-4.
<table>table see original document page 9</column></row><table>
Para as ligas 1-4, que possuem aproximadamente a mesmasoma de Mg e Si, mas diferentes razões de Mg/Si, a velocidade de extrusãomáxima antes da dilaceração é aproximadamente a mesma em temperaturasde tarugo comparáveis.Tabela 3. Testes de extrusão para as ligas 5-8
<table>table see original document page 10</column></row><table>
Para as ligas 5-8, que possuem aproximadamente a mesmasoma de Mg e Si, mas diferentes razões de Mg/Si, a velocidade de extrusãomáxima antes da dilaceração é aproximadamente a mesma em temperaturasde tarugo comparáveis. Entretanto, por comparação das ligas 1-4, quepossuem uma soma mais baixa de Mg e Si com as ligas 5-8, a velocidade deextrusão máxima é geralmente mais alta para as ligas 1-4.
As propriedades mecânicas de ligas diferentes, envelhecidasem ciclos de envelhecimento diferentes, são apresentadas nas tabelas 4-11.
Como uma explanação para estas tabelas, é feita referência àFig. 1, na qual diferentes ciclos de envelhecimento são apresentadosgraficamente e identificados por uma letra. Na Fig. 1, é mostrado o tempo deenvelhecimento total sobre o eixo x, e a temperatura usada está ao longo doeixo y.
Além disso, as diferentes colunas possuem os seguintessignificados :
Tempo total = tempo de envelhecimento para o ciclo deenvelhecimento.
aR = limite de resistência à tração;
σ6 = limite de escoamento;
eT = alongamento total;
eu = alongamento uniforme.
Todos estes dados foram obtidos por meio de verificação detração padrão e os números apresentados são a média de duas amostrasparalelas do perfil extrudado.Tabela 4
<table>table see original document page 12</column></row><table>Tabela 5
<table>table see original document page 13</column></row><table>Tabela 6
<table>table see original document page 14</column></row><table>Tabela 7
<table>table see original document page 15</column></row><table>Tabela 8
<table>table see original document page 16</column></row><table>Tabela 9
<table>table see original document page 17</column></row><table>Tabela 10
<formula>formula see original document page 18</formula>Tabela 11
<table>table see original document page 19</column></row><table>Com base nestes resultados, os seguintes comentários sãoaplicáveis.
O limite de resistência à tração (aR) da liga n° 1 estáligeiramente abaixo de 180 MPa após envelhecimento com o ciclo A e 6horas de tempo total. Com ciclos de envelhecimento de taxa duplas, osvalores de aR são mais altos, mas ainda de não mais do que 10 MPa após 5horas de ciclo B, e de 195 MPa após um ciclo C de 7 horas. Com o ciclo D,os valores de aR alcançam a 210 MPa5 mas não antes de um tempo deenvelhecimento total de 13 horas.
O limite de resistência à tração (aR) da liga n° 2 estáligeiramente acima de 180 MPa após o ciclo A e 6 horas de tempo total. Osvalores de aR são de 195 MPa após um ciclo B de 5 horas, e de 205 MPa apósum ciclo C de 7 horas. Com o ciclo D, os valores de aR alcançamaproximadamente 210 MPa após 9 horas e 215 MPa após 12 horas.
A liga n° 3, que está mais próxima à linha de Mg5Si6 no ladorico em Mg, apresenta as propriedades mecânicas mais altas das ligas 1-4.Após o ciclo A, a aR é de 190 MPa após 6 horas de tempo total. Com umciclo B de 5 horas, a oR está próxima a 205 MPa, e ligeiramente acima de 210MPa após um ciclo C de 7 horas. Com o ciclo de envelhecimento D de 9horas, a aR está próxima a 220 MPa.
A liga n° 4 apresenta propriedades mecânicas mais baixas doque as ligas 2 e 3. Após o ciclo A com 6 horas de tempo total, a aR não é demais do que 175 MPa. Com o ciclo de envelhecimento D de 10 horas, a aRestá próxima a 210 MPa.
Estes resultados demonstram claramente que a composiçãoótima para a obtenção das melhores propriedades mecânicas com a menorsoma de Mg e Si, está próxima à linha de Mg5Si6 no lado rico em Mg.
Outro importante aspecto em relação à razão de Mg/Si é o deque uma baixa razão parece fornecer tempos de envelhecimento mais curtospara a obtenção da resistência máxima.
As ligas 5-8 possuem uma soma constante de Mg e Si, que émais alta para as ligas 1-4. Quando comparadas com a linha de Mg5Si6, todasas ligas 5-8 estão localizadas no lado rico em Mg de Mg5SÍ6·
A liga n° 5, que está mais afastada a partir da linha de Mg5Si6mostra as propriedades mecânicas mais baixas de quatro ligas diferentes 5 -8. Com o ciclo A, a liga n° 5 possui um valor de Gr de aproximadamente 210MPa após 6 horas de tempo total. A liga n° 8 possui um valor de aR de 220MPa após o mesmo ciclo. Com o ciclo C de tempo total de 7 horas, os valoresde Gr para as ligas 5 e 8 são de 220 e 240 MPa, respectivamente. Com o cicloD de 9 horas, os valores de aR são aproximadamente de 225 e 245 MPa.
De novo, isto mostra que as propriedades mecânicas mais altassão obtidas com ligas mais próximas à linha de Mg5SÍ6- Como para as ligas 1-4, os benefícios dos ciclos de envelhecimento de taxa dupla parecem ser maisaltos para as ligas mais próximas à linha de Mg5SÍ6·
Os tempos de envelhecimento para a resistência máximaparecem ser mais curtos para as ligas 5-8 do que para as ligas 1-4. Isto éesperado porque os tempos de envelhecimento são reduzidos com o conteúdode liga aumentado. Além disso, para as ligas 5-8, os tempos deenvelhecimento parecem ser algo mais curtos para a liga 8 do que para a liga 5.
Os valores de alongamento total parecem ser quaseindependentes do ciclo de envelhecimento. Na resistência de pico, os valoresde alongamento total, eT, estão em torno de 12%, mesmo que os valores deresistência sejam mais altos para os ciclos de envelhecimento dupla.
Exemplo 2:
O exemplo 2 mostra a resistência à tração fínal de perfis apartir de tarugos diretamente aquecidos e de tarugos superaquecidos de umaliga 6061. Os tarugos diretamente aquecidos foram aquecidos à temperaturamostrada na tabela e extrudados em velocidades de extrusão abaixo davelocidade máxima antes da deterioração da superfície do perfil. Os tarugossuperaquecidos foram pré-aquecidos em um forno queimado a gás a umatemperatura acima da temperatura de dissolução para a liga e então resfriadosa uma temperatura de extrusão normal apresentada na tabela 12. Apósextrusão, os perfis foram resfriados a água e envelhecidos por um ciclo deenvelhecimento padrão até a resistência de pico.Tabela 12 : Resistência à tração final (gr) em diferentes posições de perfis apartir de tarugos diretamente aquecidos e superaquecidos de uma liga AA6061.
<table>table see original document page 23</column></row><table>Pela utilização do processo de superaquecimento, aspropriedades mecânicas serão geralmente mais altas e também maisconsistentes, sem superaquecimento. Além disso, com superaquecimento aspropriedades mecânicas são praticamente independentes da temperatura dotarugo antes da extrusão. Isto orna o processo de extrusão mais robusto comrelação ao provimento de propriedades mecânica elevadas e consistentes,tornando possível operar em composições de liga mais baixas, com margensde segurança mais baixas, abaixo dos requerimentos para as propriedadesmecânicas.
Claims (11)
1. Processo de tratamento de uma liga de alumínio,consistindo de- 0,5-2,5%, em peso, de uma mistura de formação de liga demagnésio e silício, a razão molar de Mg/Si estando entre 0,70 e 1,25,- uma quantidade adicional de Si igual a 1/3 da quantidade deFe, Mn ou Cr na liga, sendo expressa por % em peso,- outros elementos de formação de liga e impurezasinevitáveis, e- o resto sendo constituído por alumínio,cuja liga, após resfriamento, foi submetida à homogeneização,pré-aquecimento antes da extrusão e envelhecimento, cujo envelhecimentoocorre após extrusão como uma operação de envelhecimento de etapa dual auma temperatura de manutenção final entre 160 e 220 °C, caracterizado pelofato de que o envelhecimento inclui um primeiro estágio, no qual a extrusão éaquecida com uma taxa de aquecimento acima de 100 °C/h a uma temperaturaentre 100-170 0C, um segundo estágio, no qual a extrusão é aquecida comuma taxa de aquecimento entre 5 e 50 °C/h até a temperatura de manutençãofinal entre 160 e 220 0C, e em que o ciclo de envelhecimento total éexecutado em um tempo entre 3 e 24 horas.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a razão molar de Mg/Si é de, pelo menos, 0,70.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que a razão molar de Mg/Si é, no máximo, 1,25.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 3, caracterizado pelo fato de que a temperatura de envelhecimento final éde, pelo menos, 165 0C.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 4, caracterizado pelo fato de que a temperatura de envelhecimento final éde, no máximo, 205 °C.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 5, caracterizado pelo fato de que no segundo estágio de aquecimento a taxade aquecimento é de, pelo menos, 7 °C/h.
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 6, caracterizado pelo fato de que no segundo estágio de aquecimento a taxade aquecimento é de, no máximo, 30 °C/h.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 7, caracterizado pelo fato de que no final do primeiro estágio deaquecimento a temperatura está entre 130 e 160 °C.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 8, caracterizado pelo fato de que o tempo de envelhecimento total é de, pelomenos, 5 horas.
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o tempo de envelhecimento total é, nomáximo, de 12 horas.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que durante o pré-aquecimento, antes daextrusão, a liga foi aquecida a uma temperatura entre 510 e 550 °C, após oque a liga foi resfriada a temperaturas de extrusão normais.
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