BRPI0710197A2 - Método para produzir um artigo de chapa fina revestida, artigo de chapa fina revestida, métodos para melhorar a aparência superficial de um artigo de chapa fina e para produzir um lingote revestido, e, lingote de chapa fina revestida - Google Patents

Abstract

<B>METODO PARA PRODUZIR UM ARTIGO DE CHAPA FINA REVESTIDA, ARTIGO DE CHAPA FINA REVESTIDA, METODOS PARA MELHORAR A APARENCIA SUPERFICIAL DE UM ARTIGO DE CHAPA FINA E PARA PRODUZIR UM LINGOTE REVESTIDO, E, LINGOTE DE CHAPA FINA REVESTIDA<D> A invenção diz respeito a um método de produção de um artigo de chapa fina revestida que tem propriedades superpiásticas e ao artigo de chapa fina resultante. O método envolve produzir uma camada de revestimento em pelo menos uma face de laminação de um lingote núcleo feito de um metal que tem propriedades superplásticas, preferivelmente por co-vazamento, para formar um lingote revestido, e em seguida laminar o dito lingote revestido para produzir um artigo de chapa fina. O lingote núcleo inclui um elemento que difunde do interior do lingote para uma superficie a temperaturas de formação superpiástica, deteriorando assim as propriedades superficiais do lingote. A camada de revestimento é provida com um elemento (dopante) que reage com o elemento do núcleo para reduzir a capacidade de o elemento difundir através da camada de revestimento.

Description

"MÉTODO PARA PRODUZIR UM ARTIGO DE CHAPA FINAREVESTIDA, ARTIGO DE CHAPA FINA REVESTIDA, MÉTODOSPARA MELHORAR A APARÊNCIA SUPERFICIAL DE UM ARTIGO DECHAPA FINA E PARA PRODUZIR UM LINGOTE REVESTIDO, E,LINGOTE DE CHAPA FINA REVESTIDA"

CAMPO TÉCNICO

Esta invenção diz respeito a ligas superplásticas,especialmente aquelas feitas basicamente de alumínio. Mais particularmente,a invenção diz respeito ao revestimento de ligas superplásticas para modificare melhorar suas características superficiais.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Ligas superplásticas são metais cristalinos que podem serdeformados bem além de seu ponto de ruptura usual de menos de 100%, e quepodem ser estirados em pelo menos 200%, e geralmente mais que 1.000%,durante a deformação na tração a elevadas temperaturas. Algumas vezes, éfeita referência a metais que têm "plasticidade melhorada". Tais metaistipicamente têm propriedades de deformação no limite inferior da faixa demetais "superplásticos", mas são ainda capazes de se estenderem mais quemetais convencionais similares. Deve-se entender que a presente revelaçãoengloba metais que têm tanto plasticidade superplástica quanto melhorada.

Por questão de conveniência, somente o termo "superplástica" será usado aseguir para referir-se a metais de ambos os tipos.

Metais superplásticos alongam-se e tornam-se mais finos deuma maneira muito uniforme quando estirados sob tensão, em vez de formaum "estrangulamento" (isto é, estreitamento local) que leva à fratura. Em vezde formar um estrangulamento, o material eventualmente se rompe pelacoalescência lenta de pequenos vazios internos, até que uma trinca contínua sedesenvolve. Tais metais usualmente têm uma estrutura cristalina de grãosfinos (por exemplo, menos que 10 micrômetros) com uma fina dispersão departículas termicamente estáveis que age para fixar os contornos de grãos emanter uma estrutura de grãos finos a altas temperaturas. O tamanho de grãofino é necessário para permitir que ocorra o modo de deformaçãocaracterístico conhecido como "deslizamento de contorno de grão". As ligasde alumínio que apresentam esta propriedade em geral têm um alto teor deelementos de liga, por exemplo, magnésio, cobre ou zinco. Exemplos típicossão ligas tais como as ligas AA5083, AA7075 e Supral® produzidas pelaSuperform USA of Riverside, Califórnia (tipicamente, Al 6% em peso, Cu0,4% em peso Zr). As ligas contendo Mg da série AA5000 são as maispopulares para produzir componentes automotivos. Ligas superplásticas dasérie AA7000 (contendo menos Mg 0 por exemplo, baixo como 1,9% empeso - mas altos teores de Zn) são atualmente mais populares para aplicaçõesaeroespaciais.

Ligas superplásticas podem ser usadas para formar objetos deforma complexa pela aplicação de pressão por meio de um gás ou com umaferramenta de formação, e geralmente com ajuda de matrizes (por exemplo,por meio do processo de Formação Rápida de Plástico (QPF). Peças dealumínio e titânio são geralmente formadas superplasticamente paraaplicações aeroespaciais e, cada vez mais, automotivas.

O estado de superplasticidade é atingido a alta temperatura,tipicamente mais que a metade do ponto de fusão absoluta da liga em questão,e geralmente em torno de 500°C (e geralmente acima de 400°C) em ligas abase de alumínio. Infelizmente, as ligas contendo Mg comercialmenterelevantes (em particular) tornam-se suscetíveis a oxidação e/ou deterioraçãosuperficial durante tal processamento e também durante serviço por causa deseu alto teor de Mg. Essas ligas podem também tornar difíceis de ser unidasuma na outra para construção em peças para automóveis e similares depois deoperação de conformação a alta temperatura.

Conseqüentemente, existe uma necessidade de modificar oumelhorar as ligas superplásticas para evitar tais problemas.

A patente 4.411.962 concedida a Robert M. Johnson em 25 deoutubro de 1983 revela a formação de um laminado de metal incluindo umaou mais camadas de material superplástico unidas metalurgicamente a uma oumas camadas de material não superplástico a fim de atingir alta resistente,mantendo ainda as propriedades superplásticas. A união das camadas érealizada por união por difusão (aquecida a temperaturas abaixo dos pontos defusão do metal) e união por laminação (chapa finas são laminadas uma naoutra para reduzir suas espessuras e promover a união).

A patente U.S. 3.206.808 concedida a Grover C. Robinson em21 de setembro de 1965 diz respeito ao vazamento contínuo ou semicontínuode lingotes de alumínio e ligas de alumínio. Entretanto, ela não envolve otratamento de ligas superplásticas.

REVELAÇÃO DA INVENÇÃO

Uma modalidade exemplar da invenção fornece um métodopara produzir um artigo de chapa fina revestida. O método compreende proverum revestimento em pelo menos uma face de um lingote núcleo de uma ligaque tem propriedades superplásticas, preferivelmente por co-vazamento, paraformar um lingote revestido, e laminar o lingote revestido para produzir umartigo de chapa fina com uma camada de núcleo e pelo menos uma camada derevestimento. A liga usada para o lingote núcleo inclui um elemento quedifunde do interior da camada de núcleo para uma superfície da mesma atemperaturas exigidas para formação superplástica do artigo e que causamdeterioração superficial quando presentes na superfície externa do artigo. Acamada de revestimento é escolhida de forma a incluir um elemento queinterage com o elemento do núcleo para reduzir a difusão do elemento donúcleo através da camada de revestimento.

Uma outra modalidade exemplar da invenção fornece umartigo de chapa fina revestida que tem propriedades superplásticas,compreendendo uma camada de núcleo de um metal que tem propriedadessuperplásticas, e uma camada de revestimento de metal provida em pelomenos uma face da camada de núcleo, preferivelmente por co-vazamento, emque a camada de núcleo inclui um elemento que difunde do interior dacamada de núcleo para uma superfície a temperaturas de formaçãosuperplástica, deteriorando assim as propriedades superficiais do artigo. Acamada de revestimento inclui um elemento que reage com o elemento donúcleo para reduzir a capacidade de o elemento difundir através da camada derevestimento.

De acordo também com uma outra modalidade exemplar dainvenção, é provido um método para produzir um lingote revestido, cujométodo compreende prover um revestimento em pelo menos uma face de umlingote núcleo feito de uma liga que tem propriedades superplásticas por co-vazamento para formar um lingote revestido; em que a liga do lingote núcleoinclui um elemento que difunde do interior da camada de núcleo para umasuperfície desta a temperaturas exigidas para formação superplástica de umartigo produzido do lingote revestido por laminação, e que causa deterioraçãosuperficial quando presente em uma superfície externa do artigo, e a camadade revestimento é escolhida de forma a incluir um elemento que interage como elemento do núcleo para reduzir a difusão do elemento do núcleo através dorevestimento.

De acordo também com uma outra modalidade exemplar, éprovido um lingote de chapa fina revestida que tem propriedadessuperplásticas, compreendendo um núcleo de um metal que tem propriedadessuperplásticas, e um revestimento de um metal em pelo menos uma face donúcleo, em que o núcleo inclui um elemento que difunde do interior do núcleopara uma superfície a temperaturas de formação superplástica, deteriorandoassim as propriedades superficiais de um artigo de chapa fina produzido dolingote revestido por laminação, e o revestimento inclui um elemento quereage com o elemento do núcleo para reduzir a capacidade de o elementodifundir através do revestimento.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A figura 1 é uma elevação em seção parcial mostrando umexemplo de um aparelho de co-vazamento usado na presente invenção;

A figura 2 é uma ampliação de parte do aparelho da figura 1mostrando o contato entre os metais co-vazados;

A figura 3 é um esquema representando um artigo de chapafina laminada de acordo com uma possível modalidade da invenção;

A figura 4 é um gráfico mostrando alongamentos médios dostestes de tração em função da temperatura;

As figuras 5 (a) e 5(b) são micrografias óticas de seçõestransversais longitudinais de produtos metálicos produzidos em experimentos(figura 5(a) é um dos corpos de prova de 1,245 mm de espessura testados a450°C - esta micrografia foi feita a 1 cm da superfície da fratura - note que orevestimento permanece intacto; e a figura 5(b) é uma dos corpos de provatestados a 525°C - vazios no núcleo próximos à interface revestida pareceminiciar a fratura do revestimento);

A figura 6 é uma micrografia SEM da superfície derevestimento mostrando a textura "corrugada";

A figura 7 é um esquema do conjunto revestido experimentalantes de laminar o revestimento;

A figura 8 é um gráfico de temperatura em função do tempo etemperatura em função de% Mg;

A figura 9 é um gráfico do teor de Mg em solução sólida paradiferentes tempos de recozimento;

A figura 10 é um gráfico do teor de Mg em função dadistância;

As figuras 1 l(a) e 1 l(b) são gráficos do teor de Mg ou teor deMg2Si em função da distância;

A figura 12 é um gráfico do teor de Mg em solução sólida emfunção da distância;

As figuras 13 (a) e 13(b) são gráficos do teor de Mg ou teor deMg2Si com a distância;

As figuras 14(a), 14(b) e 14(c) são micrografias de pacotesrevestidos contendo Si (a) como laminado, (b) depois de 30 minutos a 350°Ce (c) depois de 2 horas a 500°C;

A figura 15 é um gráfico do teor de Mg em função da distânciada superfície revestida;

As figuras 16(a) e 16(b) são gráficos de concentração de Mg econcentração de intermetálicos em função da distância;

As figuras 17(a), 17(b) e 17(c) são micrografias de um pacoterevestido contendo Cu (a) como laminado; (b) depois de 30 minutos a 350°C;e (c) depois de 2 horas a 500°C;

A figura 18 é um perfil do teor de Mg depois de vários

tratamentos;

As figuras 19(a) e 19(b) são gráficos da concentração de Mgem solução em função da distância da superfície para (a) uma camada derevestimento de alumínio puro; e (b) uma camada revestida de Al - 0,6% empeso de Si (os gráficos mostram os resultados de simulação para cadaespessura revestida estudada, marcadas nos gráficos); e

A figura 20 é um gráfico da concentração de Mg em soluçãona superfície em função da espessura da camada revestida, os resultados tantopara Al puro quanto para ligas de Al - 0,6% em peso de Si sendo mostrados(o refrigerante vapor contendo Si pode ser mais fino para o mesmo teorpermissível máximo de Mg).

MELHOR MANEIRA DE REALIZAR A INVENÇÃO

A presente invenção possibilita produzir um artigo de chapafina metálica com uma camada de núcleo apresentando propriedadessuperplásticas a elevadas temperaturas e tendo uma camada de revestimentode um metal diferente em pelo menos uma superfície que reduz ou elimina osproblemas superficiais ou degradação do produto metálico resultante causadopela difusão de um ou mais elementos da camada de núcleo para a superfíciedo artigo com revestimento.

Observou-se que os problemas superficiais ou degradação demetais superplásticos são em geral o resultado da difusão de pelo menos umelemento de liga reativo do interior do metal para a superfície, onde oelemento pode sofrer oxidação ou outras reações, ou causar dificuldades deadesão com outros metais. Alguns elementos de liga usados em ligas dealumínio difundem através do metal apenas lentamente, ao passo que outros(por exemplo, magnésio e zinco) difundem bastante rapidamente. Em geralsão os metais que têm alta taxa de difusão e especialmente aqueles quetambém têm alta suscetibilidade a oxidação, que causam problemassuperficiais nos produtos acabados.

Quando uma liga superplástica contém um elemento que é umdifusor rápido e que migra rapidamente para a superfície durante operações deconformação a alta temperatura, meramente recobrir ou revestir a superfícieexterna da liga superplástica com uma camada de uma liga diferente (menosreativa) pode não evitar os problemas, em virtude de os elementos quedifundem rapidamente do núcleo poderem penetrar e difundir rapidamente nacamada de recobrimento fina e atingir a superfície externa do artigo recobertoe, novamente, causar degradação superficial e problemas relacionados.

Um elemento de rápida difusão pode ser definido como umque difunde mais rápido do que a autodifusão do metal solvente. Magnésioem alumínio é um exemplo disto, e Cu em Si é um outro. Do ponto de vistaprático, qualquer elemento que pode difundir em uma camada derevestimento para a superfície durante uma operação de conformação a altatemperatura poderia ser considerado um elemento de "rápida difusão" com ospropósitos desta invenção. A tabela 1 seguinte fornece os dados necessáriospara computar as difusividades em função da temperatura para vários corposde prova de alumínio.

Tabela 1

Coeficientes de difusividade de diversos elementos para difusão de estadosólido em Al:

Dados obtidos da Smithells Metals Reference Book, tf1. Edição: E.A. Brandes,editor: Butterworths, Londres: 1983: 9SBN 0-408-71053-5

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Os dados na tabela 1 representam os parâmetros na equação dataxa de Arrhenius aplicados na difusão: D(T) = D0exp(-Q/RT). Os dadosmostram que Mg e Zn são "difusores rápidos" em que seu parâmetroexponencial (Q) é menor que o do Al e, conseqüentemente, a temperaturasaltas o bastante, tenderão difundir mais rápido que o Al. Deve-se notar que Feé um difusor excepcionalmente lento.

Na presente invenção, observou-se que uma melhoria pode serobtida se a camada de recobrimento ou revestimento for dopada (isto é)contiver um elemento que bloqueia a difusão do elemento que difunderapidamente do núcleo superplástico para a superfície externa da camada derevestimento e, conseqüentemente, pára, ou reduz consideravelmente, adifusão do elemento do núcleo para a superfície do produto. Esta ação debloqueio pode ser o resultado da formação de um composto intermetálico naforma de precipitados (por exemplo, partículas de fase S) pela reação entre oelemento dopante da camada de revestimento e o elemento que difunderapidamente do núcleo. O elemento que difunde rapidamente éconseqüentemente convertido em uma outra forma que é muito lenta paradifundir ou permanecer completamente fixa no lugar durante o processamentoe conformação do metal.

Como um exemplo, muitas ligas de alumínio superplásticasusadas para aplicações automotivas contêm quantidades relativamentegrandes de magnésio (normalmente pelo menos cerca de 4% em peso egeralmente 4,0 a 4,9% em peso de Mg) que difundem rapidamente atemperaturas de formação de metal superplástico através do núcleo de metal equalquer revestimento metálico que possa estar presente. Magnésio éaltamente suscetível à oxidação quando presente na superfície. Entretanto,observou-se que uma camada de revestimento contendo silício e/ou cobre éaltamente efetiva no bloqueio da difusão de magnésio através da camada derevestimento para a superfície externa do produto e, conseqüentemente, podeprover um artigo de metal com melhores características superficiais. Acredita-se que o silício seja efetivo em virtude de ele reagir com o magnésio paraformar Mg2Si. Assim, o magnésio difunde para uma camada revestida queleva silício para formar partículas de Mg2Si na camada revestida recoberta nonúcleo de alto magnésio. A camada revestida em seguida pode terpropriedades diferentes daquelas da camada revestida original. Quando cobreé usado como um dopante da camada revestida, acredita-se que Al2CuMg eAl6CuMg4 possam se formar. Uma vez que átomos de Mg, inicialmente emsolução sólida, ficam "aprisionados" em tais partículas intermetálicas, elesnão podem mais difundir através da camada de revestimento para a superfícieexterna. Entretanto, nota-se que o efeito de bloqueio de Cu pode serobservado somente se o produto for superplasticamente formado atemperaturas abaixo de cerca de 400°C, já que cobre pode dissolver para solução a temperaturas mais altas.

As quantidades de silício e/ou cobre exigidas na camada derevestimento são pelo menos as quantidades mínimas que têm o efeitodesejado de bloqueio da migração do Mg. Na prática, observou-se que acamada de revestimento preferivelmente deve conter 0,3% em peso de Si oumais, e/ou 0,3% em peso de Cu ou mais. Para Si, a faixa preferida é 0,5-2,0%em peso e mais preferivelmente 0,5-1,0% em peso. Para Cu, a faixa preferidaé 0,3-1,3% em peso. Os elementos Si e/ou Cu, certamente, estão presentes emmuitas ligas de alumínio. A liga de alumínio pode conter outros elementos,mas elementos que tendem difundir rapidamente e causar problemassuperficiais, certamente, devem estar ausentes, ou presentes somente emquantidades muito pequenas. Por exemplo, uma quantidade de Mg nasuperfície do artigo de até 0,8% em peso pode ser tolerada em virtude dadeterioração superficial mínima resultante, mas é mais preferível que aquantidade seja cerca de 0,5% em peso ou menos, e idealmente zero. O metalda camada de revestimento deve ser escolhido com isto em mente.

No caso de ligas superplásticas contendo quantidadessignificativas de zinco como o elemento de liga primário, por exemplo, a sérieAA 7xxx de ligas, observou-se que a oxidação de zinco para formar ZnO nasuperfície não é um problema significativo, a despeito do alto potencial deoxidação do zinco. Embora Zn seja catódico em relação a Al, isto é em geralatenuado pelo efeito apassivante do óxido (AI2O3) que rapidamente forma noalumínio. No entanto, durante uma operação de conformação, o efeitoapassivante da camada de AI2O3 é reduzido por causa da exposição contínuade nova superfície. Neste caso, o Al permanece efetivamente anódico para oZn. A elevadas temperaturas típicas de formação de superplásticos, entretanto,um outro fenômeno pode ter efeitos potencialmente detrimentais, a saber, avolatilidade do Zn. Isto significa que o Zn presente na superfície da liga podesublimar ou evaporar. Isto pode deixar a superfície pobre em Zn se o metalfor mantido a altas temperaturas por um período de tempo suficientementelongo. Dado este fenômeno, a aplicação da camada revestida (possivelmentecontendo um dopante que impede a migração de Zn) para uma ligasuperplástica 7xxx pode ser benéfica para o artigo resultante, impedindo aperda de Zn por sublimação ou evaporação, caso ocorra um grau detrimentaldurante operações de conformação a alta temperatura.

Além de o Zn presente nas ligas 7xxx, Mg pode também estarpresente em quantidades moderadas (por exemplo, pelo menos 1,9% em peso)para permitir a formação de precipitados intermetálicos Al3Mg4Zn3 que têmuma contribuição de aumento de resistência significativa. Por exemplo, a ligaAA7075 que pode apresentar comportamento superplástico, contém 2,1 -2,9%em peso de Mg. Este teor de Mg é alto o bastante para que a formação deMgO na superfície possa ser detrimental para o produto. Com base nisto,portanto, a aplicação de um revestimento para impedir a formação de MgO éapropriada e desejável.

A camada de revestimento pode ser aplicada no metal donúcleo da liga superplástica por qualquer meio adequado, mas é maispreferivelmente aplicada por co-vazamento de uma camada do metal derevestimento em um lingote núcleo de liga de metal superplástico. Isto éespecialmente efetivo quando realizado usando o método e aparelho de co-vazamento descritos na publicação da patente U.S. 2005/0011630, publicadoem 20 de janeiro de 2005, em nome de Anderson et al. (a revelação de talpublicação está especificamente incorporada pela aqui referência). Estemétodo e aparelho possibilitam co-vazar metais para formar um lingotenúcleo e pelo menos uma camada de revestimento e produzir uma ligaçãometalúrgica substancialmente contínua entre camadas de metal.

A figura 1 dos desenhos anexos mostra, em seção transversalem elevação e parcial, um conjunto de molde de co-vazamento similar ao dapublicação de Anderson et al. Esta mostra um conjunto de molde devazamento retangular 10 que tem paredes do molde 11 formando parte deuma camisa de água 12 da qual uma corrente de água de resfriamento 13 édispensada.A parte de entrada do molde é dividida por uma parededivisória 14 (referida como uma "camada coquilhada") em duas câmaras dealimentação. Um bocal de distribuição de metal fundido 15 alimenta umaprimeira liga em uma câmara de alimentação e um segundo bocal dedistribuição de metal 16 alimenta uma segunda liga em uma segunda câmarade alimentação. Uma unidade de bloco inferior móvel verticalmente 17suporta o lingote compósito à medida que ele é formado e se ajusta àextremidade de saída do molde antes de iniciar o vazamento e em seguida éabaixado para permitir que o lingote se forme.

O corpo do metal 23 alimentado pelo bocal 16 destinado aformar a camada de revestimento é mantido a um nível mais alto no molde doque o corpo do metal 20 alimentado pelo bocal 15 destinado a formar onúcleo (isto sendo o arranjo preferido para um núcleo altamente ligado e umaliga de revestimento mais diluída). A parede divisória 14 é resfriada (pormeios não mostrados) de forma que o metal da camada de revestimento formeuma superfície semi-solidificada auto-sustentada 25 antes de entrar emcontato com o metal fundido 20 do núcleo. De fato, conforme mostrado maisclaramente na figura 2, uma zona 19 que fica entre líquido e sólido (isto é,entre o liquidus e solidus do metal - geralmente referida como uma zonapastosa, ou zona semi-sólida) que existe no metal 23 imediatamente abaixo daparede divisória 14. Abaixo desta zona pastosa ou semi-sólida fica uma ligade metal sólido, e metal líquido existe acima da zona. A liga líquida 20provida para o núcleo também forma uma zona pastosa 22 com metal sólidoabaixo e metal líquido acima.

Conforme revelado no pedido de patente anterior, atemperatura da parede divisória 14 é mantida a uma temperatura visadapredeterminada de maneira a criar uma interface coquilhada que serve paracontrolar a temperatura da superfície auto-sustentada 25 abaixo daextremidade inferior da parede divisória 14. Uma superfície superior 34 dometal 20 na segunda câmara é então preferivelmente mantida em uma posiçãoabaixo da extremidade inferior da parede divisória 14 e, ao mesmo tempo, atemperatura da superfície auto-sustentada 25 é mantida de maneira tal que asuperfície 34 do metal 20 faça contato com esta superfície auto-sustentada 25em um ponto onde a temperatura da superfície 25 fica entre a temperaturasolidus e liquidus do metal 23. Tipicamente, a superfície 34 é mantida em umponto ligeiramente abaixo da extremidade inferior da parede divisória 14, nogeral em cerca de 2 a 20 mm da extremidade inferior. A interface assimformada entre as duas correntes de liga neste ponto forma uma ligaçãometalúrgica sem óxido muito forte entre as duas camadas de metal sem causarexcessiva mistura das ligas.

Na presente invenção, o metal de revestimento é vazado emuma e preferivelmente ambas as faces de laminação de um lingote no geralretangular feito de uma liga superplástica por uma técnica de co-vazamento.Se for necessário o revestimento em ambos os lados do núcleo, o aparelho dafigura 1 seria modificado para prover uma parede divisória 14 em cada ladodo molde. Depois da formação, o lingote revestido resultante é submetido alaminação a quente e/ou a frio normal para produzir uma chapa fina revestidaadequada para fabricação em um produto desejado, tal como uma peça deautomóvel.

A espessura relativa da camada de revestimento para o núcleosuperplástico antes (e depois) da laminação, e a espessura absoluta da camadade revestimento no artigo chapa fina laminada final, podem ser importantepara algumas ou todas combinações de liga do núcleo/revestimento. Uma vezque a liga usada para o revestimento normalmente não é superplástica por si,pode haver um equilíbrio exigido entre fabricar a(s) camada(s) derevestimento muito espessa(s) em relação ao núcleo tal que as propriedadessuperplásticas desejadas do produto resultante são afetadas adversamente (oucompletamente eliminadas), e a fabricação do revestimento muito fino tal quea migração do elemento que difunde rapidamente do núcleo não éefetivamente impedida. Espessuras apropriadas podem variar para diferentescombinações de liga.

A camada de revestimento estenderá da mesma maneira que onúcleo sem trincar ou perder a aderência quando ela está em uma faixa deespessura adequada, mas isto pode não ser o caso se forem empregadascamadas significativamente mais espessas. Para ligas de alto Mg, pelo menos,observou-se que a(s) camada(s) de revestimento não estende(m)-se no mesmovalor do núcleo, se a espessura total da camada de revestimento (ou ambascamadas) for 30% ou mais da espessura total do lingote revestido ou artigo dechapa fina laminada. A transição de uma camada de revestimento que segueas extensões superplásticas do núcleo completamente até uma queprovavelmente não ocorre gradualmente (isto é, dependendo do grau deextensão exigido) e acredita-se que propriedades adequada são exibidasquando a espessura total da camada de revestimento, ou de ambas as camadas,comparada com a espessura total do produto revestido, é na faixa de 15 a25%, mais preferivelmente 15 a 20%. Em geral, a(s) camada(s) derevestimento segue(m) extensões superplásticas completamente quando sua(s)espessura total(s) for(m) 15% ou menos. Isto significa que, para um produtorevestido que tem apenas uma camada de revestimento, a espessura dorevestimento deve ser menor que 30% da espessura do produto revestido total,preferivelmente menos que um valor na faixa dd 15 a 25%, maispreferivelmente menos que um valor na faixa de 15 a 20%, e idealmente 15%ou menos. Para um produto que tem duas camadas de revestimento (demesma espessura), cada camada deve ter uma espessura de menos que 15%,preferivelmente menos que um valor de 7,5 a 12,5%, mais preferivelmentemenos que um valor de 7,5 a 10%, e idealmente 7,5% ou menos (com base naespessura total das camadas do núcleo e do revestimento). Para um produtoque tem uma única camada de revestimento, se o núcleo tiver uma espessurade 925 micrômetros, a camada de revestimento idealmente tem uma espessurade cerca de 75 micrômetros.

A espessura mínima exigida para impedir difusão do elementodo núcleo novamente irá diferir para diferentes combinações de liga, epossivelmente diferentes bitolas da camada do núcleo. Entretanto, pelo menospara ligas superplásticas contendo altos níveis de Mg, as camadas derevestimento contendo Si ou Cu, a espessura mínima preferida é cerca de 50μm (para cada camada revestida), e mais preferivelmente pelo menos 75 μm,quando a espessura total do artigo de chapa fina revestida laminada for 250μm. Uma faixa preferida é 50 a 500 μm, e mais preferivelmente 75 a 150 μm.Puramente de uma perspectiva de difusão, não existe limite superior, emvirtude de quanto mais espessa a camada, tanto melhor ela será na prevençãoda difusão para a superfície.

Essas dimensões preferidas são representadas na forma de umcroqui na figura 3 dos desenhos anexos. Esta representa um caso em queexistem camadas de revestimento A e C em cada lado do núcleo B do artigode chapa fina laminada. Para um artigo laminado que tem apenas uma camadade revestimento, a razão de A para (A + B) seria menor que 30%.

Os metais usados para revestimento podem em si terpropriedades superplásticas, mais isto não é essencial e, de fato, não seriausual.

EXPERIMENTO 1

Esta seção descreve os detalhes de experimentos e simulaçõesde computador realizadas para avaliar as propriedades a alta temperatura deum material revestido. Testes de tração e experimentos e simulações deinterdifusão foram realizados. O material para o teste mecânico foi umacamada revestida AA3003 diluída em um núcleo AA5083. O material foicomercialmente laminado a frio em uma bitola final de 1,245 mm e corpos deprova adicionais foram obtidos de uma bitola intermediária de 1,9 mm. Oscorpos de prova foram deformados sob tensão a temperaturas variando de450°C a 525°C. Em todas temperaturas as amostras de ambas espessurasapresentaram alongamentos de mais de 300%. Os maiores alongamentosforam observados a 500°C.

Os estudos de difusão foram realizados para avaliar aviabilidade de usar Si ou Cu para inibir a difusão de Mg através da camadarevestida para a superfície. Conforme já notado, o Si pode retardar a difusãode Mg pela formação de Mg2Si, ao passo que Cu pode favorecer a formaçãode Al2CuMe e Al6CuMg4. A viabilidade disto foi estudada experimentalmenteusando materiais modelo consistindo em uma liga AA5083 de núcleo ecamada de revestimento tanto como Al- 1% em peso de Cu5 quanto Al -0,5% em peso de Si. Combinações de ligas similares foram estudadas emmodelos matemáticos usando o pacote de software DICTRA® produzido pelaThermo-Calc Software of Stockholm Technoloby Park, Bjõrnnãsvágen 21,SE-11347 Estocolmo, Suécia. Os experimentos e as simulações decomputador indicam que a liga contendo Si não reduz a difusão de Mg pelaformação de Mg2Si para tratamentos térmicos de até 575°C, ao passo que orevestimento contendo Cu pode possivelmente ser efetivo somente até umatemperatura máxima de 485°C.

Uma das aplicações propostas para os produtos revestidos quepodem facilmente ser fabricados pela tecnologia de co-vazamento é chapafina de alumínio que apresenta boa conformabilidade a alta temperatura(~500°C) e ainda mantém boa qualidade superficial. A qualidade superficialideal é uma que apresenta superfície brilhante e lisa. Para atingir umasuperfície brilhante, a formação de MgO na superfície tem que ser inibida. Aliga de conformabilidade a alta temperatura padrão para aplicaçõesautomotivas é AA5083 e, em particular, sua variante de baixo Fe e alto Mn. Oteor de Mg deste tipo de liga é nominalmente 4,75% em peso. A formação dequantidades significantes de MgO na superfície é um fenômeno bemconhecido para tais ligas contendo alto Mg por causa da rápida difusão de Mgpara a superfície.

A tecnologia de co-vazamento anteriormente mencionadapermite que ligas contendo alto Mn sejam revestidas com ligas contendopouco ou nenhum Mg e, conseqüentemente, essas camadas revestidas podemagir como barreiras de difusão e impedir que o Mg atinja a superfície e formeo MgO esteticamente não atraente. Além da aparência não atraente causadapelo óxido superficial, o óxido tem que ser tratado depois da formação paraproduzir características de melhor união e pintura. Impedir que MgO sedesenvolva na superfície pode portanto reduzir os custos de fabricação para aindústria automotiva.

Esta seção é dividida em duas partes. A primeira discute aspropriedades mecânicas e as microestruturas desenvolvidas nessas condições.A segunda seção descreve os experimentos e simulações de computadorrealizadas para avaliar a viabilidade de se usar Si ou Cu para inibir difusão deMg, favorecendo a formação de partículas intermetálicas.

PARTE 1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS

Procedimentos Experimentais

O material usado neste estudo foi fabricado usando instalaçõesde produção comerciais, tendo sido vazado com uma liga revestida deAA3003 diluído e um núcleo de uma variante de acordo com asespecificações AA5083. A composição química das ligas do núcleo erevestimento está listada na tabela 2 a seguir.

Tabela 2

Composições químicas das ligas do núcleo revestido e ligas revestidas.

A composição quotada está em% em peso

<table>table see original document page 18</column></row><table>

Do local do vazamento, o lingote foi transferido para umalaminação para laminação a quente. Um tratamento de pré-aquecimento eencharque foi realizado antes da laminação a quente por 33 horas a 525°C. Olingote foi laminado a quente até uma bitola de 6,5 mm. A temperatura deentrada no primeiro passe da laminação a quente foi 521°C e a temperaturafinal no bobinamento foi cerca de 3 OO0C (a temperatura da bobina variou dascamadas interna para externa). Ela foi subseqüentemente laminada a frio emmúltiplos passes até 1,245 mm. Amostras foram obtidas na bitola final e emuma bitola intermediária de 1,9 mm. As reduções a frio para essas bitolasforam 81% e 71%, respectivamente.

Uma amostra adicional foi produzida a partir do corpo deprova laminado em laboratório de uma variante convencional de AA5083 queadicionalmente se enquadra nas especificações da AAS5086. A composiçãoquímica desta amostra está dada na tabela 3 a seguir. Ela foi recebida comochapa fina de 0,5 polegada (12,7 milímetros) de espessura produzidacomercialmente. Ela foi laminada a quente em laboratório com umatemperatura de partida de 450°C até uma bitola de 3 mm. A temperatura docorpo de prova no final da laminação a frio não foi registrada. Depois doresfriamento até a temperatura ambiente, ela foi laminada a quente até 0,75mm, produzindo uma redução a frio total de 75%.

A partir das amostras assim obtidas, corpos de prova de traçãoforam preparados, de maneira tal que o eixo de tração ficasse paralelo aosentido de laminação. Os corpos de prova de tração foram preparados porusinagem CNC para atender as especificações da ASTM E 21-05 "StandardTest Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials".

Isto produz corpos de prova de tração com um comprimentoda bitola usinada de 0,75 polegada, de maneira tal que as marcas fiduciáriaspodem ser traçadas na superfície do corpo de prova a um espaçamento de 0,5polegada para ser monitorada por um extensômetro com vídeo.

A prática de aquecimento seguida para este estudo exigiu quea câmara do corpo de prova fosse pré-aquecida na temperatura desejada.Mediante inserção do corpo de prova, o tempo necessário para este fornoretornar para sua temperatura de ajuste, dentro de ±5°C foi registrado. Ocorpo de prova pôde recristalizar naturalmente a esta temperatura por mais 6minutos. O teste de tração então foi iniciado.

Os testes de tração foram realizados a 450, 475, 500 e 525°C.Três testes de tração foram realizados em cada temperatura para os doisconjuntos de materiais comercialmente produzidos.

Os testes de tração foram realizados a uma velocidadeconstante de maneira tal que a velocidade de deformação inicial fosse 5x10"3/s. Os testes de tração foram realizados até a fratura e o alongamento nafratura foi registrado.

Exame metalográfico dos corpos de prova deformados foisubseqüentemente realizado usando microscopia ótica e eletrônica devarredura.

Resultados

A figura 4 mostra os alongamentos médios na fratura para ostrês materiais em todas temperaturas de teste. Entretanto, para o material debitola 1,245 mm, um dos corpos de prova testados a 525°C falhouprematuramente perto do pescoço do corpo de prova de tração, e este não foiincluído ma média.

Os alongamentos na fratura todos excederam 300%, e os dadosindicam adicionalmente que maiores reduções a frio melhoram o alongamentona fratura.

As figuras 5 (a) e 5(b) são micrografias óticas de seçõeslongitudinais feitas próximas das superfícies de fratura de dois dos corpos deprova de 1,245 mm. Um é de um corpo de prova deformado a 450°C (figura5(a)) e o outro para um corpo de prova deformado a 525°C (figura 5(b)). Elamostra a formação de vazios no material do núcleo e mostra adicionalmenteque a camada revestida continua bastante intacta. O revestimento não ficouparticularmente fino onde existe um vazio imediatamente abaixo da interfaceno núcleo.

A figura 6 é uma imagem micrográfica eletrônica de varredura(SEM) de uma amostra mostrando a borda longitudinal do corpo de provaaproximadamente 1 cm da superfície da fratura, mostrando a superfície"corrugada". A figura também mostra dois exemplos onde a camada revestidase rompe, aparentemente por causa de vazios no material do núcleoimediatamente abaixo da interface revestimento/núcleo.Discussão e Conclusões sobre as Propriedades Mecânicas

O material revestido consistindo em um núcleo AA5083 comum revestimento AA3003 diluído mostra altos alongamentos na tração a altatemperatura. Os dados mostram adicionalmente que a camada revestidapermanece intacta durante a deformação a despeito de sua falta decaracterísticas superplásticas. Os alongamentos obtidos no material produzidocomercialmente se comparam favoravelmente com um exemplo de uma ligaAA5083 convencional produzida em laboratório em termos de alongamento aalta temperatura.

PARTE 2 - SIMULAÇÕES E EXPERIMENTOS DE DIFUSÃOModelo Matemático

A aplicação DICTRA® é parte do pacote de softwareThermoCalc® e permite ao usuário calcular perfis de concentração baseadona difusão de vários elementos de liga. Ele inclui a capacidade de simular aformação de partículas de segunda fase e pode igualmente prever seus perfisde concentração.

As simulações de computador estudaram ambas as ligasrevestidas com o mesmo núcleo da liga AA5083. A temperatura em ambos oscasos foi ajustada tanto a 350°C (623 0K) quanto 500°C (773 0K) e acomposição do núcleo foi ajustada em 4,75% em peso Mg, 0,2 Si e 0,05 Cu.Esta composição química é típica de uma liga AA5083. Note que as outrasadições de liga de Cr, Fe e Mn foram omitidas para este estudo, uma vez queesses são elementos de difusão muito lenta e não devem afetar as previsões dedifusão. A composição da camada revestida para o caso contendo Cu foiajustada em Al com 1% em peso de Cu e para o caso revestido da liga Al/Si acomposição foi A — 0,5% em peso Si. A espessura modelada da camadarevestida foi 0,1 mm e do núcleo foi 1,0 mm.

Para o caso contendo Si, a simulação foi feita duas vezes: umavez permitindo que se formassem precipitados de segunda fase e na segundasimulação sua formação foi rejeitada. Para o caso contendo Cu, as simulaçõesforam todas realizadas permitindo a formação de precipitados. Os tempos desimulação foram 5, 10, 15 e30 minutos em ambas temperaturas. Finalmente,a formação adicional de precipitados durante o resfriamento à temperaturaambiente foi avaliada simulando-se uma curva de resfriamento de declínioexponencial de maneira tal que o tempo para 250C foi 20 minutos para cadatemperatura de recozimento. Este tipo de função para a curva de resfriamentoé o fisicamente mais razoável para o resfriamento de um objeto quente atécondições ambientes.

Procedimentos experimentais

Os dois diferentes materiais revestidos estudados forampreparados por laminação-revestimento. A liga do núcleo, AA5083, foipreparada por vazamento em coquilha direta e, a partir deste lingote, umafatia de 1,5 polegada (38,1 milímetros) de espessura foi removida. Ocomprimento desta chapa foi 6 polegadas (152,4 milímetros) e a largura 8polegadas (203,2 milímetros). Um entalhe de 0,15 polegada (3,81 milímetros)de largura foi usinado na liga do núcleo próxima do "topo" da chapa na facesuperior ao longo de toda sua largura. A composição desta liga é idêntica àdescrita na seção "A" e sua composição está dada na tabela 3 a seguir.

Tabela 3Composições químicas da liga de referência AA5083 laminada em laboratório

A composição quotada está em% em peso. O teor de Zn não foi especificado

<table>table see original document page 23</column></row><table>

As ligas revestidas foram vazadas em molde com duascavidades articuladas em espessura de 1 polegada (25,4 milímetros). Esseslingotes de molde com duas cavidades articuladas foram aquecidos a 500°C elaminados na bitola desejada de 0,15 polegada (3,81 milímetros). Uma peçade 8 polegadas (203,2 milímetros) de largura por 5,5 polegadas (139,7milímetros) de comprimento foi cortada deste e uma borda dobrada 90 0 parase encaixar em um entalhe aberto na liga do núcleo. Para garantir que acamada revestida permanecesse afixada no núcleo durante os passes delaminação iniciais, três pequenos cordões de solda foram feitos ao longo daborda de avanço do entalhe do revestimento/núcleo: um em cada borda e umno meio. A construção disto está mostrada esquematicamente na figura 7 naqual o número 81 indica o material do núcleo com o entalhe feito, o número82 indica o material de revestimento com uma extremidade dobrada inseridano entalhe e o número 83 mostra os cordões de solda unindo a camada derevestimento no núcleo. Deve-se notar que a camada de revestimento teveuma espessura de 0,15 polegada (3,81 milímetros) e a camada do núcleo teveuma espessura de 1,5 polegada (38,1 milímetros), uma largura de 8 polegadas(203,2 milímetros) e um comprimento de 6 polegadas (152,4 milímetros).

O pacote revestido assim montado foi aquecido em um forno a500°C por 30 minutos em então laminado em uma bitola final de 1 mm. Osprimeiros passes foram realizados com apenas uma pequena redução paraatingir uma boa união metalúrgica entre as ligas revestida e do núcleo. Umavez que a boa união foi atingida, maiores reduções por passe puderam seralcançadas. Não foi empregado controle de temperatura durante o processo delaminação-revestimento.Corpos de prova foram cortados da chapa fina laminada erecozidos tanto a 350°C por 30 minutos quanto a 500°C por 2 horas. Seçõestransversais longitudinais foram preparadas para exame metalográfico ótico.Microscopia ótica foi realizada nesses corpos de prova para determinar aformação de partículas de segunda fase e, além disso, foi usado ummicroscópio eletrônico de varredura para determinar o perfil de composiçãoquímica usando o método de fluorescência de raios-X. Medições dacomposição foram feitas a cada 5 micrômetros a partir da superfície revestidaaté 100 micrômetros adentro no material do núcleo.

Resultados e Discussão

Simulações de computador do pacote revestido contendo Siestão mostradas na figura 8, etc.

A figura 8 mostra um exemplo do perfil tempo - temperaturapara a simulação realizada em recozimento isotérmico de 15 minutos a 500°Ce seu subseqüente resfriamento à temperatura ambiente. Os perfis detemperatura para os outros casos têm a mesma curva de resfriamento, masdiferentes tempos de recozimento.

A figura 9 mostra os perfis de composição de Mg para osdiferentes tempos de recozimento a 500°C para as simulações nas quais nãose permitia formar precipitação. Ou seja, considerou-se que todos elementosde liga continuaram em solução sólida. Os perfis colocados em gráfico sãoaqueles no final do resfriamento até a temperatura ambiente. O teor de Mg é oda solução sólida.

A figura 10 compara o perfil de composição do caso para 15minutos a 500°C antes e depois do resfriamento até a temperatura ambiente.Note que existe pouca diferença no perfil de composição no final doresfriamento comparado com o final do recozimento isotérmico a 500°C.

A figura 11 (a) contém os gráficos do Mg nos perfis decomposição de solução sólida, com as simulações agora permitindo aformação de Mg2Si. Note a queda na concentração do Mg na liga do núcleodistante da interface. Isto é por causa da reação do Mg e Si na liga AA5083 ereduz as concentrações de solução sólida de Mg e Si. Além disso, pode-senotar que o teor de Mg na superfície da camada revestida (x=0) é agora muitomenor que a dos casos previamente simulados em que não se formou nenhumprecipitado. A figura ll(b) mostra os perfis de teor de Mg2Si. O picoacentuado próximo da interface é por causa da disponibilidade imediata deMg do núcleo para formar grandes quantidades de Mg2Si. Além disso, pode-se notar que existe uma certa difusão de Si da camada revestida para o núcleo,e isto é refletido por um maior teor de Mg2Si no núcleo próximo à interface.

A figura 12 compara os perfis de Mg antes e depois doresfriamento para o caso de recozimento de 15 minutos a 500°C. Ao contráriodos resultados colocados em gráfico na figura 4, o resfriamento não tem umefeito no teor de solução sólida de Mg. A diferença é por causa da menorsolubilidade sólida de Mg e Si a menores temperaturas, favorecendo aformação de partículas de Mg2Si.

As figuras 13(a) e 13(b) contêm os resultados das simulaçõesrealizadas a 350°C para vários tempos. Note que o Mg difunde em umamenor faixa que a 500° C por cauda da menor difusividade nesta temperatura.Os perfis de Mg para as simulações nas quais Mg2Si pôde ocorrer novamentemostram uma menor distância de difusão.

Resultados experimentais para o pacote revestido contendo Si

As figuras 14(a), 14(b) e 14(c) mostram micrografias dosistema experimental laminação-revestimento com a camada revestidacontendo Si em várias condições. A figura 14(a) mostra a camada revestida ea região interfacial próxima do núcleo na condição laminada a frio; A figura14(b) mostra a microestrutura depois do recozimento do corpo de prova a35O°C por 30 minutos; e a figura 14(c) mostra a microestrutura depois dorecozimento a 500°C por 2 horas.Pela figura 14(a), pode-se notar que não existem partículasintermetálicas na interface e que uma boa união metalúrgica foi criada duranteo processo de laminação-revestimento. As pequenas manchas na regiãorevestida são partículas de Si. A microestrutura depois de 30 minutos a 350°Cmostra partículas de Mg2Si estendendo-se da interface até a camada revestida.A largura das partículas é aproximadamente 1 micrômetro ou menos, ao passoque algumas delas estendem-se diversos micrômetros a partir da interface atéa região revestida. Mediante recozimento por 2 horas a 500°C, partículas deMg2Si muito grandes são criadas próximas à interface original. Além disso,parece haver uma zona pobre em Si na camada revestida estendendo-se atéaproximadamente 50 micrômetro a partir da interface revestimento/núcleo.Isto é delimitado com a parte "superior" da camada revestida por uma linha departículas. Isto pode estar de acordo com a previsão do DICTRA® de um"pico" no teor de Mg2Si a uma distância similar da interface. A zona pobreaparente pode conter finas partículas de Mg2Si5 que não são visíveis namicrografia, ao contrário das partículas de Si, que são visíveis.

A figura 15 mostra um gráfico do teor de Mg em função dadistância da superfície revestida para os casos como laminado de 30 mm a350°C e 2 horas a 500°C determinados a partir de análise pontual deespectroscopia de raios-X de energia dispersiva (EDXS) usando a SEM. Osperfis de Mg estão em moderado acordo com as previsões feitas usandoDICTRA®. As variações no teor de Mg podem ser atribuídas a interaçõescom grandes partículas contendo Mg. Ou seja, para algumas das mediçõespontuais, o volume medido pode ter (parcialmente) contido uma grandepartícula de Mg2Si, superestimando assim o teor médio de Mg. Além disso, ométodo EDCS não pode distinguir Mg em solução sólida e o de partículasintermetálicas tal como Mg2Si.

Simulações de computador do pacote revestido contendo Cu

O pacote do software ThermoCalc® indica que, para uma ligacontendo 5% em peso de Mg e 1% em peso de Cu5 o solvus para Al2CuMg é485°C, ao passo que para Al6CuMg4 é 238°C.

Os perfis tempo - temperatura usados para essas simulaçõesforam idênticos aos da camada revestida contendo Si. A figura 16(a) comparaos perfis de Mg a 350°C depois de vários tempos simulados. Deve-se lembraque essas simulações foram feitas com o software permitindo a formação departículas intermetálicas. O Mg em solução sólida não diminuiu por causa daformação dessas partículas durante o resfriamento. A figura 16(b) mostra osperfis de composição das fases intermetálicas previstas depois de 30 minutosa 350°C.

Resultados experimentais para o pacote revestido contendo Cu

As figuras 17(a), 17(b) e 17(c) são micrografias do sistemaexperimental de laminação - revestimento com a camada revestida contendoCu em várias condições. A figura 17(a) mostra a camada revestida e a regiãointerfacial próxima do núcleo na condição como laminado; A figura 17(b)mostra a microestrutura depois do recozimento do corpo de prova a 3 5 O0Cpor 30 minutos; e a figura 17(c) mostra a microestrutura depois dorecozimento a 500°C por 2 horas.

Como no caso contendo Si, o corpo de prova como laminadomostra que foi alcançada uma boa união metalúrgica no processo laminação -revestimento. Depois do recozimento para 30 mm a 350°C, observou-se quepartículas se formaram ao longo da interface entre as ligas revestidas e denúcleo. Isto indica que ocorre a reação para formar intermetálicos Al-Cu-Mg. Isto é de se esperar pelo diagrama de fases que mostra que nestatemperatura somente uma fase está presente: a solução sólida de Al a.

A figura 18 mostra um gráfico do teor de Mg em função dadistância da superfície revestida para os casos como laminado, 30 minutos a350°C e 2 horas a 500°C, determinado a partir de análise pontual EDXSusando a SEM. Os perfis de Mg estão em moderado acordo com as previsõesfeitas usando DICTRA®. As variações no teor de Mg podem ser atribuídas àsinterações com grandes partículas contendo Mg. Ou seja, para algumas dasmedições pontuais, o volume medido pode ter (parcialmente) contido umagrande partícula intermetálica, superestimando assim o teor de Mg local.Além disso, o método EDXS não pode distinguir o Mg em solução sólida e ocontido nas partículas intermetálicas tais como Mg2Si ou Al2CuMg5 porexemplo.

Conclusões

O uso de adições de liga em uma camada revestida que formapartículas intermetálicas com uma espécie de difusão rápida, tal como Mg emAl, reduz a concentração de elementos em solução sólida. Para o caso de Mgem Al, a presença de Si ou Cu na camada revestida pode reduzir o teor de Mgem solução sólida na superfície revestida a níveis muito baixos.

EXPERIMENTO 2

Este relatório de experimento descreve os resultados desimulações de difusão realizadas usando o pacote de software DICTRA paraavaliar a espessura mínima da camada revestida necessária para inibir aformação de MgO para uma combinação de liga de núcleo/revestimentoparticular durante condições de formação superplástica.

CONDIÇÕES DE SIMULAÇÃO

Dois pacotes revestidos são considerados para este estudo: oprimeiro compreende uma camada revestida de alumínio puro com um núcleode 4,8% de Mg. O segundo especifica uma camada revestida de Al - 0,6% deSi e o núcleo contendo a mesma liga binaria de Al - 4,8 de Mg. Essas sãoligas modelos adequadas que se aproximam dos pacotes revestidos Noveliscontendo um núcleo de AA5083 com o 3003 diluído revestido ou uma liga3xxx modificada contendo 0,6% de Si, respectivamente. A exclusão de todasoutras adições de liga para essas simulações é razoável, uma vez que omecanismo primário para inibir a difusão de Mg é o excesso de Si. Alémdisso, considera-se que as outras adições de liga de Mn, Fe e Cr sãobasicamente "aprisionadas" em partículas de segunda fase, e não contribuirãosignificativamente para a difusão de Mg ou Si.

As simulações foram projetadas para determinar a mínimaespessura revestida que proverá proteção adequada contra a formação deMgO na superfície. Com esta finalidade, diversas simulações foram feitaspara as duas combinações de liga com variadas espessuras revestidas. Asespessuras da camada revestida escolhidas para este estudo foram 10, 25, 50,75 e 100 μm. A espessura total do sistema foi ajustada em 250 μm.

O critério para diferenciar protegido ou não é a suposição deque o MgO se formará, se a concentração de Mg em solução sólida nasuperfície for menor que 0,5 por cento em peso. Todas simulações tiveram asmesmas condições de tempo e temperatura de 15 minutos a 500°C. Isto é umlimite superior razoável das condições usadas durante a formaçãosuperplástica de um produto.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As figuras 19(a) e 19(b) mostram gráficos do Mg em soluçãosólida em função da distância para (a) a camada revestida de alumínio puro(figura 19(a)); e (b) o caso Al - 0,6% em peso de Si (figura 19(b)). Osgráficos mostram os perfis de composição para cada espessura revestidaestudada.

A figura 20 mostra um gráfico do mg em solução sólida nasuperfície em função da espessura revestida para os dois materiais estudados.Este gráfico em particular é usado já que ele pode ser considerado o critériode projeto para este problema. Dado que o mínimo teor de Mg tolerado emsolução sólida na superfície é definido em 0,5% em peso, uma linha tracejadaindica o critério de projeto para a mínima espessura. A partir deste gráficopode-se concluir que, para a camada revestida de alumínio puro, a mínimaespessura revestida é 66 μm, ao passo que a que contém Si é 54 μm.À primeira vista, pode-se ver que existe uma discrepânciaentre a figura 19(b) e a figura 1 l(a). As linhas representando a chapa fina com100 μm de revestimento e recozimento por 15 minutos a 500°C sãosignificativamente diferentes nos dois gráficos, mesmo que os sistemas deliga sejam similares. Isto se dá em virtude de os dados da figura 11 (a) serempara a chapa fina que foi resfriada até a temperatura ambiente apósrecozimento, ao passo que a chapa fina na figura 19(b) está ainda a 500°C. Adiferença na forma da curva está salientada na figura 12 e fica aparente que,quando comparando partes iguais, as curvas são de fato similares.

A figura 20 mostra uma dispersão máxima na concentração deMb na região de 25 a 50 μm para o revestimento com e sem Si. A medida quea distância acima e abaixo desses valores aumenta, os pontos de dadosparecem ficar mais e mais convergentes. Isto é em virtude de, a espessurasmuito baixas, não existir muito Si para formar Mg2Si, e, portanto, ocomportamento da difusão do Mg torna-se similar em ambos tipos derevestimento. A espessuras muito altas, a distância de difusão através dorevestimento ajuda impedir que o Mg atinja a superfície em qualquer caso.

EXPERIMENTO 3

Esta seção descreve experimentos realizados para avaliar aespessura máxima de uma camada revestida não superplástica em um núcleosuperplástico que ainda produz altos alongamentos. Os resultados sugeremque a fração revestida máxima permitida é menos que 30% (espessura derevestimento total) para a combinação de liga de núcleo/revestimentoparticular investigada.

INTRODUÇÃO

Estudos prévios sobre o uso de produtos revestidos paraformação superplástica sugeriram que o teor permitido de camadas nãosuperplásticas pode ser certamente alto e acima de 50% da composição totaldo compósito. Experimentos foram realizados para avaliar a validez dessassugestões.

PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Duas ligas foram examinadas neste estudo, a saber, umavariante de AA5083 e uma liga AA3003 diluída com Si em excesso. Essasduas ligas foram vazadas como moldes de duas cavidades articuladas.Diversos moldes de duas cavidades articuladas foram vazados de cada parapermitir que material suficiente seja usado para produzir um pacote revestidopor união por laminação e adicionalmente para processar as ligas individuaispara determinar suas propriedades de tração a elevadas temperaturas. Osmoldes de duas cavidades articuladas tiveram 25,4 mm de espessura cada eaproximadamente 150 mm χ 200 mm de largura e comprimento.

Todos os moldes de duas cavidades articuladas foramhomogeneizados a 525°C por 6 horas usando taxas de aquecimento eresfriamento de 5 0°C/h. Dois moldes de duas cavidades articuladas da versãodiluída de AA3003 foram soldados em um molde de duas cavidadesarticuladas da variante de AA5083, uma em cada face, de maneira tal que aestrutura montada pudesse ser revestida por união por laminação durante alaminação a quente. A estrutura assim montada teve portanto ~ 76 mm deespessura e 150 mm χ 200 mm de largura e comprimento.

Todas as amostras foram então aquecidas a 450°C e laminadasa quente em uma bitola de 5 mm. Todas as amostras apresentaram bomcomportamento na laminação e, em particular, o pacote revestido apresentouunião muito boa durante os passes iniciais, que foi mantida por toda alaminação a quente. Para avaliar a máxima fração permissível de liga nãosuperplástica no compósito (o pacote revestido), amostras do pacote revestidoforam arrancadas para remover uma fração desejada das camadas revestidas.Por causa de uma certa curvatura dos corpos de prova, o processo dearrancamento não pôde atingir um bom equilíbrio de espessura revestida emcada lado. A tabela 4 lista a espessura revestida em micrômetros e como afração do total para as diferentes amostras na bitola final.

Depois da laminação a quente (e arrancamento de algumas dasamostras revestidas) todos materiais foram laminados a frio a uma redução de80%. Este grau de trabalho a frio é bem conhecido para produzir umaestrutura de grãos apropriada durante recristalização para atingir umcomportamento superplástico em ligas adequadas. A bitola final para asamostras da variante de AA5803, a AA3003 diluída e revestidas nãoarrancadas foi portanto 1 mm. As bitolas finais dos corpos de provaarrancados depende da quantidade de camada revestida removida, e as bitolasestão listadas na tabela 4. A espessura da camada revestida por cima e porbaixo de cada material foi medida em um microscópio ótico seguindo osprocedimentos descritos na ASTM B209 "Standard Specification forAluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate".

A partir dos materiais de bitola final, corpos de prova forampreparados seguindo as especificações da ASTM E 21-05 "Standard TestMethods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials"paralelo ao sentido de laminação. Os corpos de prova de tração forampreparados de cada material de bitola final. Os testes de tração a elevadatemperatura foram realizados a 500°C. Esta é conhecida com a temperatura naqual variantes da liga AA5083 superplástica podem atingir alongamentosmuito altos. Os corpos de prova foram colocados na máquina de teste detração a alta. temperatura e tiveram 12 minutos para retornar naturalmentepara a temperatura visada e um certo tempo de "encharque" para permitir quea recristalização fosse completada antes do carregamento. A deformação natração foi aplicada a uma taxa de alongamento constante com uma taxa dedeformação inicial de 5 χ 10"3/s. Esta é conhecida como uma taxa dealongamento adequada para deformação superplástica. Os alongamentos naruptura foram determinados medindo o comprimento dos corpos de provadepois da fratura. O alongamento na ruptura é calculado pela seguinteequação:

<formula>formula see original document page 33</formula>

onde L é ο comprimento na ruptura e 1 é o comprimento original.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela 5 lista a média dos alongamentos na ruptura de todosos materiais. Pode-se notar que, conforme esperado, a variante de AA5803mostra comportamento superplástico com alongamentos superiores a 300%.O material AA3003 diluído mostra alongamentos inferiores a 100%. Emboraisto seja maior que o que pode ser alcançado no teste à temperatura ambientedeste material, o alongamento na ruptura não pode ser descrito como típico docomportamento superplástico. Isto demonstra que a liga AA3003 diluída nãoé uma liga superplástica.

Considerando-se os corpos de prova revestidos, nenhumapresenta alongamentos particularmente altos na ruptura. Dado que aexperiência mostrou que alongamentos de pelo menos 250% têm que serobtidos no sentido de laminação para apresentar comportamento deconformação aceitável, pode-se concluir que nenhum dos pacotes revestidosseria adequado com um compósito superplástico. Com base nisto, pode-sesugerir que a fração revestida máxima permitida para se obter um compósitosuperplástico onde o material revestido não é uma liga superplástica é menorque 30% do compósito total.

Tabela 4: Espessuras das camadas revestidas dos pacotes revestidos

<table>table see original document page 33</column></row><table>

Tabela 5: Alongamentos na ruptura para todos materiais estudados. Para osmateriais revestidos, o núcleo é uma variante de AA5803 e a fração total dascamadas revestidas de AA3003 diluída é usada para identificar o material.<table>table see original document page 34</column></row><table>

Deve-se notar que, embora os valores de alongamento mudamimprevisivelmente entre 64 e 30%, as relações de revestimento, isto é, osvalores são mais altos nas espessuras de revestimento intermediárias do quena espessura mais baixa (30%), isto pode ser atribuído a problemas naobtenção de espessuras de revestimento consistentes no método em escala delaboratório empregado para este teste (note, por exemplo, a diferença entre asespessuras de revestimento superior e inferior na menor bitola de 0,54 mm,mesmo que esses números sejam médias em três amostras de teste de traçãoem cada caso).

As espessuras revestidas estudadas nesta seção foram muitoaltas para apresentar o ponto de transição entre o comportamento nãosuperplástico e superplástico. Os resultados mostram que, para essas ligas,espessura de até 30% (isto é, por lado para um produto de duas camadasrevestidas), o comportamento continua não superplástico. Testes anterioresmostraram que a espessura de 15% (7,5% por lado) apresenta comportamentosuperplástico, e assim a transição entre essas propriedades provavelmenteocorre a uma espessura na faixa de 15 a 25% ou 15 a 20%, e maisprovavelmente ocorre gradualmente na faixa de 20 a 25% da espessura doproduto.

Claims (32)

1. Método para produzir um artigo de chapa fina revestida,cujo método compreende prover um revestimento em pelo menos uma face deum lingote núcleo de uma liga que tem propriedades superplásticas por co-vazamento para formar um lingote revestido, e laminar o lingote revestidopara produzir um artigo de chapa fina com uma camada de núcleo e pelomenos uma camada de revestimento, em que a dita liga do dito lingote núcleoinclui um elemento que difunde do interior da camada de núcleo para umasuperfície da mesma a temperaturas exigidas para formação superplástica dodito artigo e que causam deterioração superficial quando presentes nasuperfície externa do dito artigo, caracterizado pelo fato de que a dita camadade revestimento é escolhida de forma a incluir um elemento que interage como dito elemento do núcleo para reduzir a difusão do dito elemento do núcleoatravés da dita camada de revestimento.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dito metal do dito núcleo e o dito metal da camada derevestimento são escolhidos de ligas de alumínio.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que o dito elemento do dito lingote núcleo é magnésio, e o ditoelemento da dita camada de revestimento é silício.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que o dito silício está presente em uma quantidade de 0,3% em pesoou mais.

5. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que o dito silício está presente em uma faixa de 0,5 a 2,0% em peso.

6. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que o dito silício está presente em uma faixa de 0,5 a 1,0% em peso.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a-6, caracterizado pelo fato de que o dito magnésio está presente no dito núcleoem uma quantidade de pelo menos 4% em peso.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo contém zinco, e o ditomagnésio está presente no dito núcleo em uma quantidade de pelo menos 1,9% em peso.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a dita laminação é realizada até um ponto emque a dita camada de revestimento no dito artigo de chapa fina depois da ditalaminação tem uma espessura de pelo menos 50 micrômetros.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 9, caracterizado pelo fato de que a dita laminação é realizada até um pontoem que a dita camada de revestimento no dito artigo de chapa fina depois dadita laminação tem uma espessura em uma faixa de 75 a 500 micrômetros.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 10, caracterizado pelo fato de que a dita laminação é realizada até um pontoem que a dita camada de revestimento no dito artigo de chapa fina depois dadita laminação tem uma espessura em uma faixa de 100 a 150 micrômetros.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1ali, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de co-vazamento é realizadavazando o lingote núcleo sobre a camada de revestimento em um ponto ondeo metal da camada de revestimento está a uma temperatura entre atemperatura solidus e a temperatura liquidus do metal da camada derevestimento.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 12, caracterizado pelo fato de que compreende co-vazar a dita camada derevestimento sobre ambas faces de laminação do lingote núcleo.

14. Artigo de chapa fina revestida que tem propriedadessuperplásticas, compreendendo uma camada de núcleo de um metal que tempropriedades superplásticas, e uma camada de revestimento de metal co-vazado sobre pelo menos uma face da camada de núcleo, em que a ditacamada de núcleo inclui um elemento que difunde do interior da camada denúcleo para uma superfície a temperaturas de formação superplástica,deteriorando assim as propriedades superficiais do dito artigo, caracterizadopelo fato de que a dita camada de revestimento inclui um elemento que reagecom o dito elemento do núcleo para reduzir a capacidade do dito elementodifundir através da dita camada de revestimento.

15. Artigo de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que os ditos metais da dita camada de revestimento e da ditacamada de núcleo têm uma união metalúrgica resultante do co-vazamento dasditas camadas.

16. Artigo de acordo com a reivindicação 14 ou reivindicação-15, caracterizado pelo fato de que os ditos metais da dita camada derevestimento e da dita camada de núcleo são ligas de alumínio.

17. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14,-15 e 16, caracterizado pelo fato de que o dito elemento do núcleo é magnésioe o dito elemento da camada de revestimento é silício.

18. Artigo de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o dito silício está presente em uma quantidade de 0,3% empeso ou mais.

19. Artigo de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o dito silício está presente em uma faixa de 0,5 a 2,0% empeso.

20. Artigo de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o dito silício está presente em uma faixa de 0,5 a 1,0% empeso.

21. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 17a 20, caracterizado pelo fato de que o dito magnésio está presente no ditonúcleo em uma quantidade de pelo menos 4% em peso.

22. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 17a 20, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo contém zinco, e o ditomagnésio está presente no dito núcleo em uma quantidade de pelo menos-1,9% em peso.

23. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 22, caracterizado pelo fato de que a dita camada de revestimento tem umaespessura de pelo menos 50 micrômetros.

24. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 23, caracterizado pelo fato de que tem uma camada de revestimento em umaface do dito artigo, em que a dita camada de revestimento tem uma espessuraque forma menos que 30% da espessura total do dito artigo.

25. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 23, caracterizado pelo fato de que o dito artigo tem uma camada derevestimento em duas superfícies opostas do dito núcleo.

26. Artigo de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que as ditas camadas de revestimento têm uma espessura totalque representa menos que 30% da espessura do dito artigo.

27. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 26, caracterizado pelo fato de que a dita camada de revestimento, ou cadacamada de revestimento, quando houver duas, tem uma espessura de pelomenos 50 micrômetros.

28. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 26, caracterizado pelo fato de que a dita camada de revestimento, ou cadacamada de revestimento, se houver duas, tem uma espessura na faixa de 75 a-500 micrômetros.

29. Artigo de acordo com qualquer uma das reivindicações 14a 26, caracterizado pelo fato de que a dita camada de revestimento, ou cadacamada de revestimento, quando houver duas, tem uma espessura na faixa de-100 a 150 micrômetros.

30. Método para melhorar a aparência superficial de um artigode chapa fina feito de uma liga de alumínio superplástica contendo magnésio,caracterizado pelo fato de que compreende revestir uma superfície da dita ligasuperplástica com uma camada de uma liga de alumínio contendo silício emuma quantidade que reduz a difusão do dito magnésio através da dita camada.

31. Método para produzir um lingote revestido, caracterizadopelo fato de que compreende:prover um revestimento em pelo menos uma face de umlingote núcleo feito de uma liga que tem propriedades superplásticas por co-vazamento para formar um lingote revestido;em que a dita liga do dito lingote núcleo inclui um elementoque difunde do interior da camada revestida para uma superfície do mesmo atemperaturas necessárias para formação superplástica de um artigo produzidoa partir do dito lingote revestido por laminação, e que causa deterioraçãosuperficial, quando presente em uma superfície externa do dito artigo, e a ditacamada de revestimento é escolhida de forma a incluir um elemento queinterage com o dito elemento do núcleo para reduzir a difusão do ditoelemento do núcleo através do dito revestimento.

32. Lingote de chapa fina revestida que tem propriedadessuperplásticas, caracterizado pelo fato de que compreende um núcleo de ummetal que tem propriedades superplásticas, e um revestimento de um metalem pelo menos uma face do núcleo, em que o dito núcleo inclui um elementoque difunde do interior do núcleo para uma superfície a temperaturas deformação superplástica, deteriorando assim as propriedades superficiais deum artigo de chapa fina produzido a partir do dito lingote revestido porlaminação, e o dito revestimento inclui um elemento que reage com o ditoelemento do núcleo para reduzir a capacidade de o dito elemento difundiratravés do dito revestimento.