Contribuição técnica ao 70ș Congresso Anual da ABM Internacional e ao 15ș ENEMET – Encontro [607092]

* Contribuição técnica ao 70ș Congresso Anual da ABM – Internacional e ao 15ș ENEMET – Encontro
Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica, de Materiais e de Minas, parte integrante da
ABM Week, realizada de 17 a 21 de agosto de 2015, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
FABRICAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA DA
LIGA DE ALUMÍNIO AA1100 COM REFORÇO CERÂMICO
DE ÓXIDO DE ZINCO ATRAVÉS DE TÉCNICAS DE
METALURGIA DO PÓ *

André Emanoel Poroca Lins1
Elinaldo Neves dos Santos2
Arimatea Pisom de Paiva Mesquita3
Edval Gonçalves de Araújo4
Lucas Sônego Feranades5
Oscar Olimpio de Araujo Filho6

Resumo
O objetivo principal desse tr abalho é produzir compósitos de matriz de alumínio
AA1100, reforçado com um material cerâmico, o óxido de zinco (ZnO), utilizando o
processo de metalurgia do pó e técnica de moagem de alta energi a, compactação
uniaxial a frio e sinterização em atmosfera de nitrogênio (N 2). Microscopia Eletrônica
de Varredura (MEV), Difração de raios X (DRX) e difração a laser foram usadas para avaliar as características dos pós processados e dos compósitos sinterizados. Os
pós processados foram compactados e sinterizados visando obter pastilhas dos
compósitos para a caracterização mecânica via ensaios de microd ureza. Validou-se
a técnica de Metalurgia do Pó (MP) como uma técnica bem sucedid ada para a
fabricação desses compósitos. Palavras-chave : Compósitos de matriz metálica de ligas de alumínio; Óxido de
zinco; Metalurgia do pó (MP); P ropriedades mecânicas; Moagem de alta energia.

MANUFACTURING OF AA100 ALUMI NUM ALLOY METAL MATRIX
COMPOSITES REINFORCED BY ZINC OXIDE PROCESSED BY POWDER
METALLURGY TECHNIQUES
Abstract
AA1100 aluminum metal matrix composites reinforced by zinc oxid e were prepared
by suitable powder metallurgy (P M) techniques of mechanical all oying, uniaxial
compaction and sinter ing under nitrogen (N
2) atmosphere.The powders processed by
mechanical alloying were characterized by SEM, XRD and Laser diffraction to
evaluate the morphology of the po wdes, the structure and finall y the particles sizes.
The powders were cold compacted and sintered and then character ized. Powder
metallurgy techniques were succefully used to produce these com posites
Keywords: AA1100 aluminum alloy metal matri x composite; Zinc oxid; Mechan ical
properties; Mechanical alloying.

1 Engenheiro Mecânico, MSc. Em Engenharia Mecânica pela UFPE, UFPE, Recife, Pernambuco,
Brasil.
2 Licenciado em Matemática, Técnico do IF PE-Ipojuca, Ipojuca, Pernambuco, Brasil.
3 Engenheiro Mecatrônico, Professor do Futura Group, FG, Recife, Brasil.
4 Eng. Metalurgista, Doutor em Tecnologia Nucl ear – Materiais IPEN – SP, Professor Adjunto I,
Departamento de engenharia mecânica, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, PE, Brasil.
5 Engenheiro Mecânico pela UFRGS, Engenheiro do Grupo Gerdau, Recife, Pernambuco, Brasil.
6 Engenheiro Mecânico, Doutor em Tecnologia Nucl ear – Materiais IPEN – SP, Professor Adjunto I,
Departamento de engenharia mecânica, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, PE, Brasil.
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ISSN 1516-392X

* Contribuição técnica ao 70ș Congresso Anual da ABM – Internacional e ao 15ș ENEMET – Encontro
Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica, de Materiais e de Minas, parte integrante da
ABM Week, realizada de 17 a 21 de agosto de 2015, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
1 INTRODUÇÃO
Nas indústrias modernas de produção, procura-se ao mesmo tempo aumentar a
produtividade e melhorar a qualidade do produto, tudo isso com menores custos
possíveis e isto conduz ao uso de materiais cada vez mais avanç ados. Nos tempos
atuais se exige mais de toda tec nologia disponível, vários proj etos de engenharia
surgem todos os dias, os quais exigem desenvolvimento de novas ligas e materiais, para que estes suportem cargas e esforços os mais diversos, ali ados ao baixo peso,
com métodos de processamento compatíveis e competitivas em relação a processos
e materiais convencionais; tais materiais possuir também propriedades mecânicas
superiores, estabilidade estrutural, resistências térmica e ao desgaste; além de
otimizados, a baixos custos e menos poluentes ao meio ambiente. Diante de
tamanhas necessidades, é preciso encontrar possibilidades que a tendam essa
demanda por tecnologia. A metalurgia do pó tem se mostrado bast ante competitiva
perante tais requisitos, de import ância e aplicação promissora frente ao mercado e
tecnologia atual, tornando-se uma das principais fontes de prod ução massiva de
peças e aplicação de novos materiais [1]. Na definição de materiais sólidos, existem três classificações básicas quanto ao tipo:
metais, cerâmicas e polímeros. Podendo um material ser classifi cado
exclusivamente em um grupo ou out ro, ou então possuir características inerentes de
dois ou mais grupos. No que concerne à classificação devida as propriedades, seis
são as categorias: mecânica, elétrica, ótica, magnética, térmic a e deteriorativa. Os
compósitos são materiais resultantes da combinação de dois ou m ais materiais de
categorias diferentes, os quais possuem características finais que não são
encontradas isoladamente em seus c onstituintes, por exemplo: fi bra de vidro
(cerâmica + polímero), combina resistência mecânica com flexibi lidade [2]. Sobre
compósitos ainda pode se acrescentar que seus constituintes são diferentes no aspecto químico e não são solúveis entre si [3]. Também foi dit o que compósitos são
materiais com pelo menos duas fases distintas com uma interface de separação
entre elas [2]. Existem várias formas de se produzir materiais avançados atravé s do controle da
sua síntese, visando à obtenção de materiais com estrutura e pr opriedades
adequadas para determinadas aplicações [4-6]. A estrutura e con stituição de novos
materiais podem ser controladas com sucesso usando técnicas de processamento
de não equilíbrio, assim como a síntese mecano-química por moag em de alta
energia [7,8]. A metalurgia do pó consiste na obtenção de peças e materiais a partir
de constituintes na forma de pó, obtido por diversos processos (atomização, trituração, usinagem, etc), sendo em seguida devidamente mistur ados e
homogeneizados para que ocorram as reações químicas necessárias à base. Feito
isso, segue-se o tratamento mecânico (compactação) e tratamento térmico (sinterização). Por fim temos um material pr aticamente acabado com tolerâncias
próximas das finais ( Near Net Shape ), requerendo-se operações subsequentes de
acabamento e dimensional , quando necessário.
2 MATERIAIS E MÉTODOS

A figura 1 apresenta a metodologia utilizada nesse projeto de pesquisa:

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Figura 1. Fluxograma com a metodologia ut ilizada no trabalho de pesquisa.

Pó elementa r
de AA 1100
(comercial) Ácido
Esteárico
C
18
H
36
O
2
Moagem de Alta
Energia (MAE)
720 rpm
30 min
60 min
120 min
Moinho SPEX
vibratório
Lubrificante
Estearato de
Zinco
C
36
H
70
Zn
Esferas de Aço
Jarras de aço
inox – 304L
Caracterização dos Pós
elementares e processados
(MEV; DRX)2
Compactação uniaxial a frio
do Pó
P = 7ton/cm²
Caracterização do si nterizado (MO; MEV)
Determinação da Microdureza Vickers
Preparação metalográfica
(corte, embutimento, lixamento, polimento e ataque químico)
Sinterização em forno tipo mufla (500 a 550°C) em atmosfera de nitrogênio – 5h – resfriamento lento
Pó elementa r
de ZnO
(comercial)
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3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Granulometria dos pós por Difração a Laser

As figuras 1 e 2 apresentam os espectros por difração a laser d os pós da matriz de
alumínio AA 1100 e seu reforço de óxido de zinco, conforme rece bidos; junto com
um gráfico do onde estão listados os resultados [d(0,1); d(0,5) e d ( 0 , 9 ) ] p a r a o
diâmetro médio das partículas para 10, 50 e 90% dos resultados da distribuição
normal. Nota-se a diferença de tamanho das partículas do reforço (ZnO) e da matriz
(AA 1100). Em seguida estão as amostras de AA 1100 reforçadas c om óxido de
zinco, nas concentrações de refo rço e tempo de processamento in dicados.

Figura 2 . Granulometria por difração a laser: AA 1100

Figura 3 . Granulometria por difração a laser: ZnO.
AA 1100
ZnO
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020406080100120140
d 0,1 d 0,5 d 0,9Tamanho de partícula (μm): matriz (Al) e reforço (ZnO)
Al 1100 ZnO

Figura 4 . Gráfico tamanho de partí culas do AA 1100 e ZnO.

3.2. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) das Seções Super ficiais e
Transversais das Pastilhas

Nesta etapa do trabalho são apres entados os resultados e discussão acerca das
amostras reforçadas sobr e uma visão de MEV.
3 . 3 . M E V d o A A 1 1 0 0 c o m R e f o r ç o s d e 5 % , 1 0 % , 1 5 % e 2 0 % d e Z n O – 120
minutos MAE – Seções Superficial e Transversal.

a) 5% ZnO – 120 min MAE:

Figura 5 . MEV do AA1100 + 5% de ZnO – 120 min MAE – seção superficial: 1000x (a), 2000x (b) –
seção transversal: 1000x (c), 2000x (d).
(a) (b)
(c) (d)
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b) 10% ZnO – 120 min MAE:

Figura 6 . MEV do AA1100 + 10% de ZnO – 120 min MAE – seção superficial: 2000x (a), 3000x (b) –
seção transversal: 2000x (c), 3000x (d).

c) 15% ZnO – 120 min MAE:

Figura 7 . MEV do AA1100 + 15% de ZnO – 120 min MAE – seção superficial: 1000x (a), 2000x (b) –
seção transversal: 1000x (c), 2000x (d).
(c) (d) (a) (b)
(a) (b)
(c) (d)
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d) 20% ZnO – 120 min MAE:

Figura 8 . MEV do AA1100 + 20% de ZnO – 120 min MAE – seção superficial: 1000x (a), 2000x (b) –
seção transversal: 1000x (c), 2000x (d).
As figuras 5 a 8 apresentam os resultados de Microscopia Eletrô nica de Varredura
das seções superficial e transversal das amostras de alumínio A A1100 com 5%,
10%, 15% e 20% de reforço de ZnO com tempo de processamento de 120 minutos
de MAE. É notório que com o aumento do reforço houve um incremento nas formações das lamelas. Notamos uma maior deformação nas lamelas c o m o
aumento do tempo de moagem. Esta caracterização apresenta o óxi do de zinco
evidentemente em menor quantidade e seu aumento nítido. Da mesm a forma, pode-
se notar nas figuras a pureza da liga e a boa incorporação do r eforço na matriz, bem
distribuído e disperso. Observa-se também uma estrutura mais de formada com o
incremento do reforço.

3.4. Microdureza Vickers das Pastilhas Reforçadas

Nesta etapa do trabalho são apresentados os resultados da análi se por microdureza
Vickers para as pastilhas refor çadas comparadas com a microdure za da matriz AA
1100 e para tal, utilizamos uma carga de 0,5kgf. Esse ensaio revela a influência do percentual de reforço na matriz. Os resultados de dureza apresenta m-se crescentes com a incorpor ação do reforço.

(a) (b)
(c) (d)
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Tabela 1 . Planilha do Excel: Valores das durezas das seções superficiai s e t r a n s v e r s a i s e o
incremento na dureza com o aumento de reforço
Superficial Transversal
‐‐
205,22% 196,72%
253,04% 231,97%
257,83% 246,31%
266,52% 254,10%AMOSTRASSeção Superficial 
(HV)Seção Transversal  
(HV)
Média Microdureza Média  Microdureza
72,424,4Incremento  na Dureza
(%)
AA 1100 + 20% ZnO ‐ 120  min (amostra  14) 84,3 86,484,581,0 AA 1100 + 10% ZnO ‐ 120  min (amostra  12) 81,2
AA 1100 + 15% ZnO ‐ 120  min (amostra  13) 82,3AA 1100 ‐ Sem reforço 23,0
 AA 1100 + 5% ZnO ‐ 120 min (a mostra  11) 70,2

0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0
AA 1100 AA  1100 + 
5% ZnOAA 1100 + 
10% ZnOAA 1100 + 
15% ZnOAA 1100  + 
20% ZnOMicrodureza  Vickers ‐Amostras  120 min (MAE)
Seção Superficial  (HV)
Seção Transversal  (HV)
Figura 9 . Gráfico da microdureza vickers – seções superficial e transve rsal.

A tabela 1 e o gráfico da figura 9 apresentam os resultados enc ontrados no ensaio
de microdureza das amostras nas seções superficiais e transversais, utilizados para a confecção do gráfico da figura 9. Da mesma forma, mostra o ga nho na
microdureza obtido com o aumento no percentual do reforço de ZnO. O gráfico mostra os valores de microdureza das amostras para as diferentes
concentrações de reforço e o tempo de processamento de 120 min, para as quatro
amostras escolhidas. Nota-se um comportamento crescente para a maior
concentração do reforço de ZnO.

4 CONCLUSÕES

 A fabricação das amostras à base de compósitos sinterizados atr avés da
técnica de metalurgia do pó, da liga de alumínio AA1100 com ref orço de 5%,
10%, 15% e 20% em massa de óxido de zinco (ZnO) separadamente, foi
executada com relativo sucesso, utilizando-se uma rota de proce ssamento de
metalurgia do pó de moagem de alta energia, compactação uniaxia l a frio e
sinterização em atmo sfera de nitrogênio (N
2).
 As amostras processadas por moagem de alta energia com 120 min utos foram
escolhidas para serem compactadas uniaxialmente a frio e sinter izadas sob
atmosfera de nitrogênio, uma vez que maiores tempos de moagem l evam a uma
melhor condição de equilíbrio nos mecanismos de soldagem, fratu ra e
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resoldagem entre matriz e reforço, levando a uma estrutura mais uniforme e
equilibrada em termos de composiç ão e menores tamanhos de partí culas.
 Após o processamento de moagem de alta energia (Mechanical Alloying – MA)
em moinho vibratório tipo SPEX, observou-se uma redução apreciá vel no
tamanho das partículas dos pós e incorporação das partículas duras do reforço pela matriz dúctil.
 As imagens feitas através de MEV e os espectros de DRX dos pós processados
por Moagem de Alta Energia (MAE), apresentam uma eficiente inse rção e
distribuição das fases do reforç o na matriz, sem aglomeração, i ndicando boa
solubilidade, sendo observado em m aior quantidade da fase cerâm ica de (ZnO)
à medida que aumenta o percentual de reforço no compósito sinte rizado. Nota-
se uma formação de estruturas lamelares com arranjos em sequênc ias
regulares, com boa parte dos refor ços orientados na mesma direç ão da matriz.
 Os resultados de dureza apresent aram-se linearmente crescentes c o m o
aumento da fração de reforço na matriz, destacando o efeito positivo da técnica de Metalurgia do Pó utilizando moagem de alta energia (MAE), co mpactação
uniaxial a frio e sinterização sob atmosfera de nitrogênio (N
2) na produção dos
compósitos.
 Tomando como base a dureza da matriz AA1100, observamos que os
compósitos com adição de 15% e 20% de reforço, apresentaram os maiores
valores de dureza evidencian do um ganho de 266% nessa proprieda de
mecânica.
REFERÊNCIAS

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Ambiental. 1ă. Edição. São Paulo: editora Metallum Eventos Técn icos E Científicos;
2009.
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de Silício e Alumina produzidos através de técnicas de Metalurgia do Pó. Dissertação
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Matriz Metalúrgica de Liga de Alumínio AA 6061 por Metalurgia d o Pó via Moagem de
Alta Energia. Dissertação de Mestrado. UFPE, 2012.
8 Suryanarayana. C. In: Powder metal Technologies and applicati ons. ASM Hanbook,
vol. 7. Materials park, oh: ASM International, 1998.

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