Princípio de Homogeneização de Tarugos de Alumínio 6060

Se as propriedades mecânicas das extrusões não forem as esperadas, a atenção geralmente se concentra na composição inicial do tarugo ou nas condições de extrusão/envelhecimento. Poucas pessoas questionam se a homogeneização em si pode ser um problema. De fato, a etapa de homogeneização é crucial para a produção de extrusões de alta qualidade. A falha em controlar adequadamente a etapa de homogeneização pode levar a:

●Aumento da pressão de ruptura

●Mais defeitos

●Texturas de listras após anodização

●Menor velocidade de extrusão

●Propriedades mecânicas ruins

A etapa de homogeneização tem dois objetivos principais: refinar compostos intermetálicos contendo ferro e redistribuir magnésio (Mg) e silício (Si). Ao examinar a microestrutura do tarugo antes e depois da homogeneização, é possível prever se o tarugo terá um bom desempenho durante a extrusão.

Efeito da homogeneização de tarugos no endurecimento

Em extrusões 6XXX, a resistência mecânica advém das fases ricas em Mg e Si formadas durante o envelhecimento. A capacidade de formar essas fases depende da colocação dos elementos em solução sólida antes do início do envelhecimento. Para que o Mg e o Si eventualmente se tornem parte da solução sólida, o metal deve ser temperado rapidamente a temperaturas acima de 530 °C. Em temperaturas acima desse ponto, o Mg e o Si se dissolvem naturalmente em alumínio. No entanto, durante a extrusão, o metal permanece acima dessa temperatura apenas por um curto período. Para garantir a dissolução de todo o Mg e Si, as partículas de Mg e Si precisam ser relativamente pequenas. Infelizmente, durante a fundição, o Mg e o Si precipitam como blocos relativamente grandes de Mg₂Si (Fig. 1a).

Um ciclo típico de homogeneização para tarugos 6060 é de 560 °C por 2 horas. Durante esse processo, como o tarugo permanece acima de 530 °C por um longo período, o Mg₂Si se dissolve. Após o resfriamento, ele reprecipita em uma distribuição muito mais fina (Fig. 1c). Se a temperatura de homogeneização não for alta o suficiente ou o tempo for muito curto, algumas partículas grandes de Mg₂Si permanecerão. Quando isso acontece, a solução sólida após a extrusão contém menos Mg e Si, impossibilitando a formação de uma alta densidade de precipitados endurecedores — levando à redução das propriedades mecânicas.

Fig. 1. Micrografias ópticas de tarugos 6060 polidos e gravados com 2% de HF: (a) como fundidos, (b) parcialmente homogeneizados, (c) totalmente homogeneizados.

Papel da homogeneização em intermetálicos contendo ferro

O ferro (Fe) tem um efeito maior na tenacidade à fratura do que na resistência. Em ligas 6XXX, as fases de Fe tendem a formar a fase β (Al₅(FeMn)Si ou Al₈.₉(FeMn)₂Si₂) durante a fundição. Essas fases são grandes, angulares e interferem na extrusão (destacadas na Fig. 2a). Durante a homogeneização, os elementos pesados ​​(Fe, Mn, etc.) se difundem, e as fases angulares grandes tornam-se menores e mais arredondadas (Fig. 2b).

Apenas com imagens ópticas, é difícil distinguir as várias fases e é impossível quantificá-las de forma confiável. Na Innoval, quantificamos a homogeneização de tarugos usando nosso método interno de detecção e classificação de características (FDC), que fornece um valor de %α para tarugos. Isso nos permite avaliar a qualidade da homogeneização.

Fig. 2. Micrografias ópticas dos tarugos (a) antes e (b) depois da homogeneização.

Método de Detecção e Classificação de Características (FDC)

A Fig. 3a mostra uma amostra polida analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Uma técnica de limiarização em escala de cinza é então aplicada para separar e identificar os intermetálicos, que aparecem em branco na Fig. 3b. Essa técnica permite a análise de áreas de até 1 mm², o que significa que mais de 1.000 características individuais podem ser analisadas simultaneamente.

Fig. 3. (a) Imagem de elétrons retrodispersos de tarugo 6060 homogeneizado, (b) características individuais identificadas de (a).

Composição de partículas

O sistema Innoval é equipado com um detector de raios X de energia dispersiva (EDX) Oxford Instruments Xplore 30. Isso permite a coleta automática e rápida de espectros de EDX de cada ponto identificado. A partir desses espectros, a composição das partículas pode ser determinada e a razão relativa Fe:Si inferida.

Dependendo do teor de Mn ou Cr da liga, outros elementos pesados ​​também podem ser incluídos. Para algumas ligas 6XXX (às vezes com teores significativos de Mn), a razão (Fe+Mn):Si é usada como referência. Essas razões podem então ser comparadas às de intermetálicos contendo Fe conhecidos.

Fase β (Al₅(FeMn)Si ou Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): razão (Fe+Mn):Si ≈ 2. Fase α (Al₁₂(FeMn)₃Si ou Al₈.₃(FeMn)₂Si): razão ≈ 4–6, dependendo da composição. Nosso software personalizado nos permite definir um limite e classificar cada partícula como α ou β, mapeando então suas posições dentro da microestrutura (Fig. 4). Isso nos dá uma porcentagem aproximada de α transformado no tarugo homogeneizado.

Fig. 4. (a) Mapa mostrando partículas classificadas como α e β, (b) gráfico de dispersão das razões (Fe+Mn):Si.

O que os dados podem nos dizer

A Figura 5 mostra um exemplo de como essas informações são utilizadas. Nesse caso, os resultados indicam aquecimento não uniforme dentro de um forno específico ou, possivelmente, que a temperatura de ajuste não foi atingida. Para avaliar adequadamente esses casos, são necessários tanto o tarugo de teste quanto os tarugos de referência de qualidade conhecida. Sem eles, a faixa %α esperada para aquela composição de liga não pode ser estabelecida.

Fig. 5. Comparação de %α em diferentes seções de um forno de homogeneização de baixo desempenho.