Atenção
Fechar
Metalurgia Física, Propriedades e Aplicações
O magnésio apresenta com sua característica mais marcante uma densidade (massa específica) extremamente baixa, da ordem de 1,74 g/cm3, portanto ainda mais baixa do que a densidade do alumínio (2,73 g/cm3). Este fato confere às ligas de magnésio elevada razão entre resistência mecânica e peso (massa), superior à de muitos metais e suas ligas. Se algum componente estrutural requer rigidez significativa e, simultaneamente, tamanho considerável, essas características favorecem o uso do magnésio e de suas ligas, justamente por causa desta elevada razão entre resistência mecânica e peso. Embora as ligas de magnésio possuam resistência ao escoamento inferior às de outras ligas, como ligas de alumínio, de titânio, aços inoxidáveis austeníticos e aços de alta resistência mecânica e baixa liga, sua razão resistência/peso é comparável às das ligas alumínio e de titânio, e muito superior às dos dois tipos de aços mencionados.
Nas ligas de magnésio determinados elementos são adicionados com diferentes propósitos: induzir endurecimento por solução sólida, melhorar propriedades de resistência à fluência, promover endurecimento por precipitação ou melhorar a fundibilidade.
As ligas de magnésio apresentam um sério problema: baixa dutilidade. A matriz de magnésio apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta (HCP), possuindo, portanto, apenas três sistemas de deslizamento. Isso também ocorre com o zinco, porém neste caso a razão entre os parâmetros de rede “c” e “a” é de tal ordem que o zinco pode acomodar a deformação em tração pela formação de maclas e assim por em operação novos sistemas de deslizamento, o que confere dutilidade considerável ás ligas de zinco, proporcionando alongamentos significativos, da ordem de 50 %. Entretanto, no caso do magnésio a razão c/a somente permite a formação de maclas quando o carregamento ocorre em compressão. Deste modo, durante o carregamento em tração do magnésio e de suas ligas policristalinos, a formação de maclas não pode ser usada para ativar novos sistemas de deslizamento, fazendo com que estes materiais apresentem baixa dutilidade (alongamento da ordem de 10 % no máximo) durante carregamento em tração. Contudo, algumas operações de conformação, como, por exemplo, a extrusão e a laminação, apresentam um componente de compressão significativo, permitindo o uso desses processos em baixas temperaturas para a fabricação de componentes à base de ligas de magnésio.
As ligas de magnésio podem se endurecidas por precipitação, quando os teores de alguns elementos solutos excedem os respectivos limites de solubilidade, abaixo dos quais prevalece o endurecimento por solução sólida. Destes, o elemento mais efetivo é o zinco, depois o alumínio, o titânio, o cádmio e o índio, nesta ordem, sendo que evidentemente os efeitos de endurecimento por solução sólida aumentam com a elevação do teor de cada um destes elementos. O tamanho do diâmetro do átomo de soluto influi no endurecimento por solução sólida de tal modo que, de um modo geral, quanto maior a diferença do tamanho do átomo de soluto para o átomo de magnésio, maior esse efeito. Entretanto, se a solubilidade do soluto no magnésio for muito pequena, mesmo com grande diferença de diâmetros atômicos, o efeito de endurecimento por solução sólida não será significativo.
Neste caso, tem que ser considerado o efeito do soluto em termos de endurecimento por precipitação. As ligas binárias Mg-9,6Al, Mg-8,7Y e Mg-5Zn podem ser endurecidas por precipitação, e este endurecimento não é insignificante, pois a dureza pode ser elevada em até 20 %, no caso das suas primeiras ligas, e 70 % no caso da última. Em algumas dessas ligas de magnésio o endurecimento por precipitação é causado pela formação de zonas ricas em solutos e fases de transição, como ocorre no caso das ligas de alumínio. O máximo de dureza obtida para a liga Mg-5Zn é obtido quando se formam finos precipitados de fase do tipo MgZn. O superenvelhecimento leva à transformação desta fase metaestável na fase de equilíbrio gama-MgZn. Nem todas as ligas de magnésio, que contêm elementos em comum com as ligas endurecíveis por precipitação, endurecem efetivamente. No caso das ligas Mg-Pb e Mg-Sn ocorre considerável solubilização destes elementos de liga na matriz de magnésio e considerável precipitação durante o envelhecimento em baixa temperatura, porém nessas ligas não ocorre endurecimento por precipitação significativo. Embora se forme uma fina dispersão de precipitados, logo no início da formação dos precipitados estes perdem coerência com o reticulado da matriz, inviabilizando o endurecimento. Sendo assim, não é comum o uso do estanho e do chumbo como elementos de liga no magnésio.
Ligas Magnésio-Alumínio-Zinco
A mais conhecida e utilizada liga do sistema Mg-Al-Zn é a liga AZ92A, que consiste basicamente numa liga de magnésio com cerca de 9 % de alumínio e 2 % de zinco. Nesta liga a fase sólida em equilíbrio com a solução sólida rica em magnésio é a fase Mg17Al12 (fase gama), a mesma que aparece na liga binária Mg-Al. Esta fase se forma por uma reação eutética , e mesmo se no resfriamento lento passa do líquido para o campo monofásico da solução sólida rica em magnésio sem que ocorra a reação eutética, esta reação pode ocorrer como resultado da segregação de soluto se a liga for resfriada de modo suficientemente rápido a parte da fase líquida. A microestrutura bruta de fusão desta liga revela a presença de fase gama massiva resultante da reação eutética. Se uma liga com este tipo de microestrutura é aquecida para ser solubilizada à temperatura recomendada de 408 ºC, e então rapidamente resfriada até a temperatura ambiente, forma-se uma microestrutura com contornos de grãos ligeiramente ondulados por causa da formação de precipitados descontínuos, que não podem ser observados em microscópio ótico, mesmo que o resfriamento seja rápido. Além da fase gama, podem ser observadas partículas de fases Mg2Si e Mn, que não se dissolveram à temperatura de solubilização.
Por outro lado, se o teor de zinco for suficientemente elevado a liga encontra-se no campo trifásico, estando presente a fase ternária intermetálica fi. Este composto possui temperatura liquidus de cerca de 363 ºC e, caso se forme durante solidificação ou resfriamento no estado sólido, quando a liga é solubilizada a 408 ºC pode ocorrer fusão localizada nas regiões em que esta fase se formou, podendo gerar porosidade (por mecanismos ainda não esclarecidos) no material termicamente tratado. Esse fenômeno é conhecido como fusão incipiente e só pode ser evitado mediante aquecimento lento ou em etapas, até se atingir a temperatura de solubilização. Esta liga endurece por precipitação mediante tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento em temperaturas por tempos adequados.
A adição de 2 % de zinco aumenta a tensão limite de escoamento de uma liga Mg-9Al em cerca de 15%, porém a tensão limite de resistência à tração diminui e o alongamento (dutilidade) não é afetado, embora seja baixo para qualquer teor de zinco. O resultado do envelhecimento depende da quantidade de precipitados potenciais que são dissolvidos durante a solubilização. Se o tempo de tratamento for muito curto, a resistência mecânica após o envelhecimento permanece baixa. Para obter a dureza ideal esta liga deve ser solubilizada durante cerca de 20 horas.
A adição de zinco acima de 2 % reduz o alongamento até a fratura, especialmente na condição na condição solubilizada. Com esses teores as ligas são mais suscetíveis ao trincamento causado pelas tensões térmicas associadas ao resfriamento rápido após a solubilização.
O precipitado de equilíbrio formado na liga Mg-9Al-2Zn é a mesma fase encontrada nas ligas binárias Mg-Al. A adição de zinco permite maior precipitação de fase gama, para um teor de alumínio constante de 9 %, e é provavelmente por este motivo que a liga ternária é mais dura na condição envelhecida do que a liga binária. Entretanto, se o teor de zinco for superior a 4 %, três fases passam a coexistir e surge a fase intermetálica ternária fi, que se forma por reação eutética a cerca de 360 ºC. Sendo assim, se esta fase se forma durante a solidificação, por exemplo, ao ser feito o reaquecimento na faixa da temperatura de solubilização (cerca de 400 ºC, por exemplo), ocorre fusão localizada. Esta fase pode ser formada durante resfriamento rápido em solidificação, mesmo não sendo uma fase de equilíbrio. Estas regiões líquidas que se formam no reaquecimento eventualmente desaparecem durante a solubilização, ou solidificam novamente durante o resfriamento posterior, causando a formação de poros. Este problema pode ser minimizado através de aquecimento lento até a temperatura de solubilização, ou de pré-aquecimento, que permitem tempo suficiente em temperatura relativamente alta para que esta fase desapareça por transformações no estado sólido. Na liga Mg-9Al-2Zn comercial a precipitação ocorre tanto contínua como descontinuamente, de modo semelhante ao que acontece nas ligas binárias Mg-Al. A quantidade de precipitados descontínuos afeta as propriedades mecânicas. Também a taxa de resfriamento a partir da temperatura de solubilização afeta a precipitação durante o resfriamento, e a quantidade de precipitação descontínua durante envelhecimento subseqüente. Taxas de resfriamento mais elevadas tornam o material mais resistente e, de algum modo, mais dútil e estas propriedades mais favoráveis correspondem à menor ocorrência de precipitação descontínua.
Uma característica importante das ligas de magnésio é a sensibilidade à corrosão causada pela presença de determinados elementos em certos níveis. Isso se deve à formação de fases indesejáveis, ou à formação de pares galvânicos com elementos com potencial de oxidação muito diferente, como ferro, níquel, cobalto e cobre, que apresentam baixa solubilidade no magnésio e tendem a formar fases que reduzem a resistência á corrosão. Elementos como o manganês e o zircônio são adicionados às ligas de magnésio com o objetivo de ajudar à remoção desses elementos indesejáveis, como o ferro, por exemplo. Esses elementos intencionalmente adicionados levam à precipitação do ferro e de outros elementos indesejáveis, que assim podem ser mais facilmente removidos [1].
Sistema de Classificação das Ligas de Magnésio
O sistema da ASTM estabelece que as ligas de magnésio, divididas em fundidas e trabalhadas, são designadas por um conjunto de caracteres alfanuméricos, no qual as duas primeiras letras se referem aos dois principais elementos de liga, os números seguintes são relativos aos teores nominais de cada um destes elementos e a letra posterior indica variações da liga básica associadas à introdução de outros elementos minoritários. Após o hífen indica-se o tratamento térmico ou termomecânico de modo semelhante ao que ocorre com as ligas de alumínio. Sendo assim, a liga de magnésio mais conhecida e utilizada, designada por AZ92A-T6, significa uma liga com 9 % de alumínio e 2 % de zinco em sua composição básica (A) e submetida ao tratamento térmico de solubilização e envelhecimento com o objetivo de obter dureza máxima (T6).
Os elementos são designados pela seguintes letras: A = alumínio, E = terras raras, H = tório, K = zircônio, M = manganês, O = prata, S = silício, T = estanho, Z = zinco.
Os tratamentos térmicos e termomecânicos são indicados por: F = como fabricado, O = recozido, H10 a H11 = levemente encruado, H23, H24, H26 = encruado e parcialmente recozido, T4 = solubilizado, T5 = envelhecido artificialmente, T6 = solubilizada e envelhecida artificialmente, T8 = solubilizada, trabalhada a frio (encruada) e envelhecida artificialmente.
Os principais sistemas de ligas fundidas são: 1 - magnésio-alumínio-zinco, com ou sem silício ou zinco; 2 – magnésio-zircônio; 3 – magnésio-zinco-zircônio, com ou sem terras raras; 4 – magnésio-tório-zircônio, com ou sem zinco; 5 – magnésio-prata-zircônio, com terras raras ou tório.
Os principais sistemas de ligas trabalhadas são: 1 - magnésio-alumínio-zinco; 2 – magnésio-manganês; 3 – magnésio-zinco- manganês; 4 – magnésio-zinco-zircônio; 5 – magnésio-tório-manganês; 5 – magnésio-tório-zircônio.
Propriedades e Aplicações
As aplicações do magnésio comercialmente puro (teor de magnésio igual ou superior a 88,89 %) são muito limitadas. Por outro lado, a presença de metais mais pesados como elementos de liga (ferro, níquel e cobre) reduz muito a resistência à corrosão. As ligas de magnésio com pequenos teores de manganês possuem uma resistência mecânica mais elevada, a qual depende do grau de encruamento da liga. O manganês mantém-se em solução sólida à temperatura ambiente em baixos teores, porém o excesso se precipita sob a forma de manganês-alfa.
As ligas do sistema Mg-Al-Zn são muito aplicadas, tanto na condição de produtos fundidos quanto trabalhados. À temperatura ambiente o alumínio permanece em solução sólida com teor de 1,6 %, enquanto o zinco se dissolve tanto nessa solução quanto na fase intermetálica Mg-Al, ao passo que o manganês presente forma fases intermetálicas com o alumínio. Devem ser minimizados ao máximo os teores de impurezas, com o objetivo de não prejudicar a resistência à corrosão. O aumento do teor de alumínio leva ao aumento da resistência mecânica, porém em níveis da ordem de 5 %, ou acima deste teor, a dutilidade fica seriamente prejudicada. O manganês aumenta a resistência à corrosão, enquanto o zinco contribui para aumentar a resistência mecânica destas ligas, que, mesmo assim, não é muito elevada, só sendo significativa quando se considera a baixa densidade, que garante elevada razão entre resistência mecânica e peso (massa). A precipitação controlada da fase intermetálica Mg-Al permite endurecer a liga através do tratamento térmico de solubilização e envelhecimento.
As ligas de magnésio-zinco na condição fundida possuem propriedades mecânicas inferiores às de outras ligas de magnésio, devido à formação de grãos grosseiros durante este processo de fabricação. O zircônio pode ser usado para o refino do grão, mas em geral essas ligas apresentam baixa fundibilidade, que no entanto pode ser melhorada mediante a adição de terras raras e tório, que também contribuem para melhorar a soldabilidade destas ligas, sem prejudicar suas propriedades mecânicas. As ligas magnésio-zinco-zircônio também são utilizadas na condição de ligas trabalhadas e adicionalmente podem ser endurecidas pelo tratamento térmico de solubilização e envelhecimento (precipitação controlada).
As ligas de magnésio que contêm terras raras e tório são as que apresentam resistência mecânica mais elevada entre as ligas de magnésio, e podem ser trabalhadas em temperaturas superiores á temperatura ambiente, da ordem de 200 a 300 ºC [2].
Soldagem das Ligas de Magnésio
A maioria das ligas de magnésio podem ser soldadas pelos processos TIG e MIG, porém a soldabilidade destas ligas varia muito, desde ligas com baixa solubilidade até ligas com excelente soldabilidade. O critério de boa soldabilidade baseia-se na baixa propensão ao surgimento de trincas e na eficiência da junção obtida, a qual pode variar de 60 a 100 % no caso das ligas magnésio.
Nas ligas Mg-Al-Zn, como, por exemplo, as ligas AZ31B, AZ61A, AZ63A, AZ80A, AZ81A, AZ91C e AZ92A, teores de alumínio de até 10 % favorecem a soldabilidade, ao contribuir para o refino dos grãos, enquanto teores de zinco superiores a 1 % aumentam a propensão à ocorrência de trincas a quente, que podem surgir na solda. Ligas com altos teores de zinco, como, por exemplo, ZH62A, ZK51A, ZK60A e ZK61A, são altamente suscetíveis ao trincamento e, portanto, apresentam baixa soldabilidade. Ligas que contêm tório, como, por exemplo, HK31A, HM21A e HM31A, apresentam excelente soldabilidade no caso de soldagem a arco.
Soldas de ligas de magnésio se caracterizam por apresentam grãos relativamente finos (da ordem de 0,25 mm), quando comparados com os de outros tipos de ligas. Ligas de magnésio contendo acima de 1,5 % de alumínio são suscetíveis à corrosão sob tensão, de modo que no caso destas ligas deve haver um cuidado especial para realizar um tratamento de alívio de tensões bastante eficiente.
A escolha do metal de adição depende essencialmente do metal base. Eletrodos/metais de adição do tipo ER AZ61A ou ER AZ92A (Mg-Al-Zn) são considerados satisfatórios para soldar as ligas AZ10A, AZ31B, AZ31C, AZ61A, AZ80A, ZE10A e ZK21A a si mesmas ou umas às outras. O metal de adição ER AZ61A é o preferido para soldar ligas contendo alumínio, devido à sua tendência de resistir bem ao trincamento. O eletrodo AZ92A apresenta menor sensibilidade ao trincamento na soldagem das ligas fundidas Mg-Al-Zn e Mg-Al. Os mesmos eletrodos/metais de adição são usados para soldar essas ligas a ligas usadas em temperaturas mais altas, como HK31A, HM21A e HM31A. Entretanto, quando a soldagem é feita entre as ligas de alta temperatura, o metal de adição ER EZ33A é o recomendado. Juntas soldadas de ligas trabalhadas ou fundidas com metal de adição ER EZ33A apresentam boas propriedades mecânicas em altas temperaturas. No caso de soldagem de ligas trabalhadas com ligas fundidas, deve ser usado o metal de adição ER AZ101A. Quando ligas fundidas contendo alumínio são soldadas com o mesmo tipo de ligas fundidas contendo alumínio, recomenda-se o uso dos metais de adição ER AZ101A ou ER AZ92A. Entretanto, para soldar ligas HK31A e HZ32A uma à outra ou com qualquer tipo de liga fundida, utiliza-se o eletrodo ER 101A. Na maioria dos casos deve ser usado um metal de adição com composição química próxima do metal base.
Apenas gases inertes devem ser usados como proteção na soldagem de ligas de magnésio. O argônio é o mais utilizado, por causa do custo inferior ao do hélio, sendo também usadas misturas de argônio e hélio, mas devido ao maior custo do hélio e ao fato de que necessita-se de um volume de hélio duas a três vezes maior do que o de argônio para garantir a mesma proteção, o uso do hélio puro tem diminuído ao longo dos últimos anos. O uso do hélio puro também não é recomendado por elevar a corrente necessária para permiti transferência por “spray” e por causar respingos na solda.
Antes de realizar a operação de soldagem a superfície das peças de magnésio devem ser cuidadosamente limpas para eliminar óxidos e sujeira aderidos durante a operação de conformação prévia. Do mesmo modo os eletrodos/metais de adição devem estar rigorosamente limpos. A limpeza mecânica com escovas é a preferida, embora também seja possível a limpeza química com banho de mistura de ácidos e sais à temperatura ambiente e secagem ao ar.
A necessidade de pré-aquecimento é determinada essencialmente pela espessura da seção e pela intensidade de restrições. Seções espessas, principalmente quando as restrições são pequenas, raramente levam ao emprego do pré-aquecimento. Seções finas e com grandes restrições exigem o pré-aquecimento para evitar o trincamento na solda, principalmente no caso de ligas com altos teores de zinco.
Soldagem MIG: As fontes de energia devem ser do tipo que garante tensão constante, mesmo no caso de soldagem a arco pulsado. Três tipos de transferência de metal podem ocorrer durante a soldagem de ligas de magnésio: curto-circuito, arco pulsado e transferência por “spray”. A transferência por arco pulsado só pode ser obtida mediante o uso de uma fonte de potência projetada para produzir uma corrente secundária pulsante. Sem esse dispositivo, a transferência seria globular, a qual não é adequada para ligas de magnésio. As posições de soldagem possíveis são a plana, a horizontal e a vertical para cima, devido à alta taxa de deposição e à elevada fluidez do metal de solda.
Soldagem TIG: é um processo mais usado para soldar ligas de magnésio do que o processo MIG, sendo indicado para soldar peças com pequena espessura. Permite melhor controle do aporte térmico e da poça de fusão do que o processo MIG. No caso de soldagem TUG de materiais mais espessos (espessura acima de 4,8 mm), prefere-se o uso de corrente alternada, pois esta garante maior penetração. Raramente se usa corrente contínua com polaridade direta para soldar ligas de magnésio, porque neste caso o arco não permite a ação de limpeza catódica. São utilizados eletrodos de tungstênio puro e de tungstênio ligado com zircônio e tório.
Solda de reparo em peças fundidas: uma parte significativa do total de peças de liga de magnésio soldadas corresponde à soldagem de reparo de peças fundidas, que é utilizada par consertar defeitos em metal limpo, incluindo peças quebradas, furadas e trincadas. A soldagem de reparo não é indicada para peças contendo fluxos, óxidos, inclusões não metálicas em geral ou porosidade excessiva. Do mesmo modo, peças fundidas que foram impregnadas com matéria orgânica para vedação em pressão, ou que possam conter óleo em poros, não devem ser soldadas. Peças de ligas de magnésio endurecíveis por precipitação, usadas na indústria aeronáutica, que foram soldadas, devem ser tratadas termicamente novamente após a soldagem, de modo que possam satisfazer novamente os requisitos de propriedades mecânicas exigidos nesse tipo de aplicação. O tipo, tamanho e localização de defeitos em peças fundidas varia tanto, que não é possível padronizar um único procedimento de soldagem de reparo para todos os casos.
A soldagem de reparo pode introduzir defeitos de diferentes tipos nas peças. Entre estes defeitos estão as inclusões de óxidos, que podem ser causadas por: 1-soldagem em metal base defeituoso; 2-limpeza inadequada do metal base ou do metal de adição; 3-soldagem com um arco muito longo; 4-fluxo insuficiente de gás protetor; 5-conexões vazadas no transporte de gás; 6-mangueira de gás defeituosas que permitem entrada de ar. As inclusões de tungstênio são causadas pela soldagem com arco muito longo, uso de corrente muito elevada e pelo contato do eletrodo com a poça de fusão, com o metal base ou com o metal de adição. A porosidade é causada geralmente pela soldagem de um metal base defeituoso, limpeza inadequada do metal base ou do metal de adição antes da soldagem, ou por contaminação no gás protetor. O microtrincamento é um defeito associado à presença de vazios interdendríticos, que podem ser observados em microscópio ótico, e é causado por uma queda muito rápida de corrente ao final da soldagem, que resulta num resfriamento muito rápido da poça de fusão. Como resultado dessa solidificação muito rápida, não há metal líquido suficiente para preencher essas cavidades. Trincas no metal base são causadas em geral por aporte térmico excessivo, ou pela proximidade do arco em relação ao metal base durante a soldagem de reparo. Na soldagem de reparo de ligas de magnésio que contêm terras raras ou tório, uma área clara na ZTA é visível até em certas radiografias, e é causada pelo material enriquecido em eutético que contêm elementos de elevado número atômico, os quais absorvem mais radiação. O enriquecimento em eutético é causado pela fusão de material eutético em temperaturas relativamente baixas e pela expansão térmica dos grãos iniciais, expulsando este material para uma camada na borda da solda. Abaixo dessa camada há uma área mais escura na radiografia, onde houve esvaziamento em eutético. Acima da camada enriquecida em eutético aparece outra zona empobrecida em eutético devido à solidificação anterior de material contendo elementos de alto ponto de fusão. Este efeito pode ser minimizado ao se evitar o pré-aquecimento e por uma soldagem rápida.
Tratamento térmico pós-soldagem: peças fundidas de liga de magnésio são freqüentemente tratadas novamente após a soldagem. Os tratamentos térmicos a serem realizados dependem da condição inicial (antes da soldagem) e das propriedades que o material deve apresentar após a soldagem. Devem ser tomados cuidados quanto ao tempo e á temperatura de tratamento térmico, para evitar crescimento anormal de grão no metal de solda depositado. Alguns tratamentos térmicos de solubilização necessitam de atmosferas controladas. Se não for necessária um solubilização completa, ligas de magnésio contendo acima de 1,5 % de alumínio devem ser sempre submetidas a tratamento térmico de alívio de tensões, de modo a minimizar a ocorrência de trincamento associado a corrosão sob tensão quando o material se encontra em serviço [3].
