Tipos básicos de tratamento térmico de ligas de alumínio

Recozimento, têmpera e envelhecimento são os tipos básicos de tratamento térmico de ligas de alumínio. O recozimento é um tratamento de amolecimento, cujo objetivo é tornar a liga uniforme e estável em composição e estrutura, eliminar o encruamento e restaurar a plasticidade da liga. Já a têmpera e envelhecimento é um tratamento térmico de reforço, cujo objetivo é melhorar a resistência da liga, sendo utilizado principalmente para ligas de alumínio que podem ser reforçadas por tratamento térmico.

1 Recozimento

De acordo com diferentes requisitos de produção, o recozimento de liga de alumínio é dividido em várias formas: recozimento de homogeneização de lingotes, recozimento de tarugos, recozimento intermediário e recozimento de produto acabado.

1.1 Recozimento de homogeneização de lingotes

Sob condições de condensação rápida e cristalização fora de equilíbrio, o lingote deve apresentar composição e estrutura irregulares, além de grande tensão interna. Para reverter essa situação e melhorar a processabilidade do lingote por trabalho a quente, geralmente é necessário o recozimento de homogeneização.

Para promover a difusão atômica, deve-se selecionar uma temperatura mais alta para o recozimento de homogeneização, mas esta não deve exceder o ponto de fusão eutético de baixo ponto de fusão da liga. Geralmente, a temperatura de recozimento de homogeneização é de 5 a 40 °C abaixo do ponto de fusão, e o tempo de recozimento geralmente varia entre 12 e 24 horas.

1.2 Recozimento de tarugos

O recozimento de tarugos refere-se ao recozimento antes da primeira deformação a frio durante o processamento sob pressão. O objetivo é fazer com que o tarugo obtenha uma estrutura equilibrada e tenha a máxima capacidade de deformação plástica. Por exemplo, a temperatura final da laminação de uma placa de liga de alumínio laminada a quente é de 280 a 330 °C. Após o resfriamento rápido à temperatura ambiente, o fenômeno de encruamento não pode ser completamente eliminado. Em particular, para ligas de alumínio reforçadas tratadas termicamente, após o resfriamento rápido, o processo de recristalização não terminou, e a solução sólida supersaturada não foi completamente decomposta, e parte do efeito de encruamento e têmpera ainda é retido. É difícil laminar a frio diretamente sem recozimento, portanto, o recozimento de tarugos é necessário. Para ligas de alumínio reforçadas sem tratamento térmico, como LF3, a temperatura de recozimento é de 370 a 470 °C, e o resfriamento ao ar é realizado após 1,5 a 2,5 horas de aquecimento. A temperatura do tarugo e do recozimento utilizada para o processamento de tubos trefilados a frio deve ser apropriadamente mais alta, e a temperatura limite superior pode ser selecionada. Para ligas de alumínio que podem ser reforçadas por tratamento térmico, como LY11 e LY12, a temperatura de recozimento do tarugo é de 390 a 450°C, mantida nessa temperatura por 1 a 3 horas, depois resfriada no forno a menos de 270°C a uma taxa de no máximo 30°C/h e, em seguida, resfriada a ar para fora do forno.

1.3 Recozimento intermediário

Recozimento intermediário refere-se ao recozimento entre processos de deformação a frio, cujo objetivo é eliminar o encruamento para facilitar a deformação a frio contínua. De modo geral, após o recozimento do material, será difícil continuar o trabalho a frio sem recozimento intermediário após sofrer deformação a frio de 45 a 85%.

O sistema de processo de recozimento intermediário é basicamente o mesmo do recozimento de tarugos. De acordo com os requisitos do grau de deformação a frio, o recozimento intermediário pode ser dividido em três tipos: recozimento completo (deformação total ε≈60~70%), recozimento simples (ε≤50%) e recozimento leve (ε≈30~40%). Os dois primeiros sistemas de recozimento são os mesmos do recozimento de tarugos, sendo o último aquecido a 320~350°C por 1,5~2h e posteriormente resfriado ao ar.

1.4. Recozimento do produto acabado

O recozimento do produto acabado é o tratamento térmico final que confere ao material certas propriedades organizacionais e mecânicas de acordo com os requisitos das condições técnicas do produto.

O recozimento do produto acabado pode ser dividido em recozimento de alta temperatura (produção de produtos macios) e recozimento de baixa temperatura (produção de produtos semiduros em diferentes estados). O recozimento de alta temperatura deve garantir a obtenção de uma estrutura de recristalização completa e boa plasticidade. A fim de garantir que o material obtenha boa estrutura e desempenho, o tempo de retenção não deve ser muito longo. Para ligas de alumínio que podem ser reforçadas por tratamento térmico, a taxa de resfriamento deve ser rigorosamente controlada para evitar o efeito de têmpera por resfriamento a ar.

O recozimento de baixa temperatura inclui o recozimento com alívio de tensões e o recozimento com amolecimento parcial, utilizados principalmente para alumínio puro e ligas de alumínio reforçadas sem tratamento térmico. A formulação de um sistema de recozimento de baixa temperatura é uma tarefa complexa, que não só precisa considerar a temperatura de recozimento e o tempo de retenção, mas também a influência de impurezas, grau de liga, deformação a frio, temperatura de recozimento intermediária e temperatura de deformação a quente. Para formular um sistema de recozimento de baixa temperatura, é necessário medir a curva de variação entre a temperatura de recozimento e as propriedades mecânicas e, em seguida, determinar a faixa de temperatura de recozimento de acordo com os indicadores de desempenho especificados nas especificações técnicas.

2 Têmpera

A têmpera da liga de alumínio também é chamada de tratamento de solução, que consiste em dissolver o máximo possível de elementos de liga no metal como uma segunda fase na solução sólida por meio de aquecimento em alta temperatura, seguido de resfriamento rápido para inibir a precipitação da segunda fase, obtendo assim uma solução sólida α supersaturada à base de alumínio, que está bem preparada para o próximo tratamento de envelhecimento.

A premissa para a obtenção de uma solução sólida α supersaturada é que a solubilidade da segunda fase da liga em alumínio deve aumentar significativamente com o aumento da temperatura; caso contrário, o objetivo do tratamento da solução sólida não pode ser alcançado. A maioria dos elementos de liga em alumínio pode formar um diagrama de fases eutéticas com essa característica. Tomando a liga Al-Cu como exemplo, a temperatura eutética é de 548°C e a solubilidade do cobre em alumínio à temperatura ambiente é inferior a 0,1%. Quando aquecida a 548°C, sua solubilidade aumenta para 5,6%. Portanto, ligas Al-Cu contendo menos de 5,6% de cobre entram na região da fase monofásica α após a temperatura de aquecimento exceder sua linha de solvus, ou seja, a segunda fase CuAl2 é completamente dissolvida na matriz e uma única solução sólida α supersaturada pode ser obtida após a têmpera.

A têmpera é a operação de tratamento térmico mais importante e exigente para ligas de alumínio. A chave é selecionar a temperatura de aquecimento de têmpera adequada e garantir uma taxa de resfriamento de têmpera suficiente, além de controlar rigorosamente a temperatura do forno e reduzir a deformação durante a têmpera.

O princípio da seleção da temperatura de têmpera é aumentar a temperatura de aquecimento de têmpera o máximo possível, garantindo que a liga de alumínio não queime excessivamente ou que os grãos cresçam excessivamente, de modo a aumentar a supersaturação da solução sólida α e a resistência após o tratamento de envelhecimento. Geralmente, o forno de aquecimento de liga de alumínio requer uma precisão de controle de temperatura do forno dentro de ± 3 °C, e o ar no forno é forçado a circular para garantir a uniformidade da temperatura do forno.

A sobrequeima de ligas de alumínio é causada pela fusão parcial de componentes de baixo ponto de fusão no interior do metal, como eutéticos binários ou multielementos. A sobrequeima não só causa a redução das propriedades mecânicas, mas também tem um sério impacto na resistência à corrosão da liga. Portanto, uma vez que uma liga de alumínio sofre sobrequeima, ela não pode ser eliminada e o produto da liga deve ser descartado. A temperatura real de sobrequeima da liga de alumínio é determinada principalmente pela composição da liga e pelo teor de impurezas, e também está relacionada ao estado de processamento da liga. A temperatura de sobrequeima de produtos que passaram por processamento de deformação plástica é maior do que a de peças fundidas. Quanto maior o processamento de deformação, mais fácil é para os componentes de baixo ponto de fusão fora de equilíbrio se dissolverem na matriz quando aquecidos, portanto, a temperatura real de sobrequeima aumenta.

A taxa de resfriamento durante a têmpera da liga de alumínio tem um impacto significativo na capacidade de reforço por envelhecimento e na resistência à corrosão da liga. Durante o processo de têmpera do LY12 e do LC4, é necessário garantir que a solução sólida α não se decomponha, especialmente na faixa de temperatura de 290 a 420°C, sendo necessária uma taxa de resfriamento suficientemente alta. Geralmente, estipula-se que a taxa de resfriamento deve ser superior a 50°C/s, e para a liga LC4, deve atingir ou exceder 170°C/s.

O meio de têmpera mais comumente utilizado para ligas de alumínio é a água. A prática de produção mostra que quanto maior a taxa de resfriamento durante a têmpera, maiores serão a tensão residual e a deformação residual do material ou peça temperada. Portanto, para peças pequenas com formas simples, a temperatura da água pode ser ligeiramente menor, geralmente entre 10 e 30°C, e não deve exceder 40°C. Para peças com formas complexas e grandes diferenças na espessura da parede, a temperatura da água pode, às vezes, ser aumentada para 80°C, a fim de reduzir a deformação e a formação de trincas durante a têmpera. No entanto, deve-se ressaltar que, à medida que a temperatura da água do tanque de têmpera aumenta, a resistência mecânica e a resistência à corrosão do material também diminuem.

3. Envelhecimento

3.1 Transformação organizacional e mudanças de desempenho durante o envelhecimento

A solução sólida α supersaturada obtida por têmpera é uma estrutura instável. Quando aquecida, ela se decompõe e se transforma em uma estrutura de equilíbrio. Tomando a liga Al-4Cu como exemplo, sua estrutura de equilíbrio deve ser α + CuAl2 (fase θ). Quando a solução sólida α supersaturada monofásica após a têmpera é aquecida para envelhecimento, se a temperatura for alta o suficiente, a fase θ será precipitada diretamente. Caso contrário, será realizado em etapas, ou seja, após alguns estágios de transição intermediários, a fase de equilíbrio final CuAl2 pode ser alcançada. A figura abaixo ilustra as características da estrutura cristalina de cada estágio de precipitação durante o processo de envelhecimento da liga Al-Cu. A figura a. é a estrutura da rede cristalina no estado temperado. Neste momento, é uma solução sólida α supersaturada monofásica, e átomos de cobre (pontos pretos) são distribuídos uniformemente e aleatoriamente na rede da matriz de alumínio (pontos brancos). A figura b. mostra a estrutura da rede no estágio inicial da precipitação. Os átomos de cobre começam a se concentrar em certas áreas da rede da matriz para formar uma área de Guinier-Preston, chamada de área GP. A zona GP é extremamente pequena e em forma de disco, com um diâmetro de cerca de 5 a 10 μm e uma espessura de 0,4 a 0,6 nm. O número de zonas GP na matriz é extremamente grande, e a densidade de distribuição pode chegar a 10¹⁷ a 10¹⁸cm-³. A estrutura cristalina da zona GP ainda é a mesma da matriz, ambas são cúbicas de face centrada e mantêm uma interface coerente com a matriz. No entanto, como o tamanho dos átomos de cobre é menor que o dos átomos de alumínio, o enriquecimento de átomos de cobre fará com que a rede cristalina próxima à região encolha, o que causa distorção da rede.

Diagrama esquemático das mudanças na estrutura cristalina da liga Al-Cu durante o envelhecimento

Figura a. Estado extinto, solução sólida α monofásica, átomos de cobre (pontos pretos) distribuídos uniformemente;

Figura b. No estágio inicial do envelhecimento, a zona GP é formada;

Figura c. No estágio final do envelhecimento, uma fase de transição semicoerente é formada;

Figura d. Envelhecimento em alta temperatura, precipitação de fase de equilíbrio incoerente

A zona GP é o primeiro produto de pré-precipitação que aparece durante o processo de envelhecimento das ligas de alumínio. O prolongamento do tempo de envelhecimento, especialmente o aumento da temperatura de envelhecimento, também formará outras fases de transição intermediárias. Na liga Al-4Cu, existem as fases θ” e θ' após a zona GP, e finalmente a fase de equilíbrio CuAl2 é alcançada. θ” e θ' são ambas fases de transição da fase θ, e a estrutura cristalina é uma rede quadrada, mas a constante de rede é diferente. O tamanho de θ é maior que o da zona GP, ainda em forma de disco, com um diâmetro de cerca de 15 a 40 nm e uma espessura de 0,8 a 2,0 nm. Ele continua a manter uma interface coerente com a matriz, mas o grau de distorção da rede é mais intenso. Ao passar da fase θ” para a fase θ', o tamanho aumenta para 20~600 nm, a espessura é de 10~15 nm, e a interface coerente também é parcialmente destruída, tornando-se uma interface semicoerente, como mostrado na Figura c. O produto final da precipitação por envelhecimento é a fase de equilíbrio θ (CuAl2), momento em que a interface coerente é completamente destruída e se torna uma interface não coerente, como mostrado na Figura d.

De acordo com a situação acima, a ordem de precipitação do envelhecimento da liga Al-Cu é αs → α + zona GP → α + θ” → α + θ' → α + θ. O estágio da estrutura de envelhecimento depende da composição da liga e das especificações de envelhecimento. Frequentemente, há mais de um produto de envelhecimento no mesmo estado. Quanto maior a temperatura de envelhecimento, mais próxima da estrutura de equilíbrio.

Durante o processo de envelhecimento, a zona GP e a fase de transição precipitadas da matriz são de tamanho pequeno, altamente dispersas e dificilmente deformadas. Ao mesmo tempo, causam distorção da estrutura na matriz e formam um campo de tensões, que tem um efeito significativo no impedimento do movimento das discordâncias, aumentando assim a resistência à deformação plástica da liga e melhorando sua resistência e dureza. Esse fenômeno de endurecimento por envelhecimento é chamado de endurecimento por precipitação. A figura abaixo ilustra a variação da dureza da liga Al-4Cu durante o tratamento de têmpera e envelhecimento na forma de uma curva. O estágio I na figura representa a dureza da liga em seu estado original. Devido aos diferentes históricos de trabalho a quente, a dureza do estado original variará, geralmente HV = 30~80. Após aquecimento a 500°C e têmpera (estágio II), todos os átomos de cobre são dissolvidos na matriz para formar uma solução sólida α supersaturada monofásica com HV = 60, que é duas vezes mais dura que a dureza no estado recozido (HV = 30). Este é o resultado do reforço em solução sólida. Após a têmpera, a liga é colocada em temperatura ambiente, e a dureza da liga é continuamente aumentada devido à formação contínua de zonas GP (estágio III). Este processo de endurecimento por envelhecimento à temperatura ambiente é denominado envelhecimento natural.

I—estado original;

II—estado de solução sólida;

III—envelhecimento natural (zona GP);

IVa—tratamento de regressão a 150~200℃ (redissolvido na zona GP);

IVb—envelhecimento artificial (fase θ”+θ');

V—envelhecimento (fase θ”+θ')

No estágio IV, a liga é aquecida a 150 °C para envelhecimento, e o efeito de endurecimento é mais evidente do que o do envelhecimento natural. Nesse momento, o produto de precipitação é principalmente a fase θ”, que tem o maior efeito de fortalecimento em ligas de Al-Cu. Se a temperatura de envelhecimento for aumentada ainda mais, a fase de precipitação transita da fase θ” para a fase θ', o efeito de endurecimento enfraquece e a dureza diminui, entrando no estágio V. Qualquer tratamento de envelhecimento que requeira aquecimento artificial é chamado de envelhecimento artificial, e os estágios IV e V pertencem a essa categoria. Se a dureza atingir o valor máximo que a liga pode atingir após o envelhecimento (ou seja, estágio IVb), esse envelhecimento é chamado de envelhecimento de pico. Se o valor de pico de dureza não for atingido, é chamado de subenvelhecimento ou envelhecimento artificial incompleto. Se o valor de pico for cruzado e a dureza diminuir, é chamado de sobreenvelhecimento. O tratamento de envelhecimento por estabilização também pertence ao sobreenvelhecimento. A zona GP formada durante o envelhecimento natural é muito instável. Quando aquecida rapidamente a uma temperatura mais alta, como cerca de 200 °C, e mantida aquecida por um curto período, a zona GP se dissolve novamente na solução sólida α. Se for resfriada rapidamente (temperada) antes que outras fases de transição, como θ” ou θ', precipitem, a liga pode ser restaurada ao seu estado original de têmpera. Esse fenômeno é chamado de "regressão", que é a queda de dureza indicada pela linha pontilhada no estágio IVa na figura. A liga de alumínio que sofreu regressão ainda apresenta a mesma capacidade de endurecimento por envelhecimento.

O endurecimento por envelhecimento é a base para o desenvolvimento de ligas de alumínio tratáveis ​​termicamente, e sua capacidade de endurecimento por envelhecimento está diretamente relacionada à composição da liga e ao sistema de tratamento térmico. As ligas binárias Al-Si e Al-Mn não apresentam efeito de endurecimento por precipitação, pois a fase de equilíbrio é diretamente precipitada durante o processo de envelhecimento, sendo, portanto, ligas de alumínio não tratáveis ​​termicamente. Embora as ligas Al-Mg possam formar zonas de GP e fases de transição β', elas apresentam certa capacidade de endurecimento por precipitação apenas em ligas com alto teor de magnésio. As ligas Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg-Cu apresentam forte capacidade de endurecimento por precipitação em suas zonas de GP e fases de transição, sendo atualmente os principais sistemas de liga tratáveis ​​termicamente e reforçados.

3.2 Envelhecimento Natural

Geralmente, ligas de alumínio que podem ser reforçadas por tratamento térmico apresentam envelhecimento natural após a têmpera. O envelhecimento natural é causado pela zona GP. O envelhecimento natural é amplamente utilizado em ligas de Al-Cu e Al-Cu-Mg. O envelhecimento natural das ligas de Al-Zn-Mg-Cu é muito longo e, frequentemente, leva vários meses para atingir um estágio estável, portanto, o sistema de envelhecimento natural não é utilizado.

Comparado ao envelhecimento artificial, após o envelhecimento natural, o limite de escoamento da liga é menor, mas a plasticidade e a tenacidade são melhores, e a resistência à corrosão é maior. A situação do alumínio superduro do sistema Al-Zn-Mg-Cu é ligeiramente diferente. A resistência à corrosão após o envelhecimento artificial é frequentemente melhor do que após o envelhecimento natural.

3.3 Envelhecimento artificial

Após o tratamento de envelhecimento artificial, as ligas de alumínio podem frequentemente obter o maior limite de escoamento (principalmente reforço na fase de transição) e melhor estabilidade estrutural. Alumínio superduro, alumínio forjado e alumínio fundido são principalmente envelhecidos artificialmente. A temperatura e o tempo de envelhecimento têm uma influência importante nas propriedades da liga. A temperatura de envelhecimento geralmente varia entre 120 e 190 °C, e o tempo de envelhecimento não excede 24 horas.

Além do envelhecimento artificial em estágio único, as ligas de alumínio também podem adotar um sistema de envelhecimento artificial gradual. Ou seja, o aquecimento é realizado duas ou mais vezes em temperaturas diferentes. Por exemplo, a liga LC4 pode ser envelhecida a 115-125°C por 2 a 4 horas e, em seguida, a 160-170°C por 3 a 5 horas. O envelhecimento gradual pode não apenas reduzir significativamente o tempo, mas também melhorar a microestrutura das ligas Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu, além de melhorar significativamente a resistência à corrosão sob tensão, a resistência à fadiga e a tenacidade à fratura, sem reduzir significativamente as propriedades mecânicas.