BR9909219B1

BR9909219B1 - liga de alumìnio-magnésio na forma de um produto laminado ou extrudado.

Info

Publication number: BR9909219B1
Application number: BRPI9909219-0A
Authority: BR
Inventors: Alfred Johann Peter Haszler; Desikan Sampath; Jean Pierre Jules Baekelandt; Der Hoeven Job Anthonius Van
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2011-02-08
Also published as: EP1078109A1; ES2191418T3; NO20004154L; NO20004154D0; AU2725799A; EP1078109B1; ES2191418T5; WO1999042627A1; BR9909219A; NO331684B1; ZA991360B; PT1078109E; ATE231562T1; EP1078109B2; TR200003222T2

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DEALUMÍNIO-MAGNÉSIO NA FORMA DE UM PRODUTO LAMINADO OUEXTRUDADO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a uma liga de alumínio-magnésiocom um teor de Mg de até 4,5% em peso, na forma de produtos laminados eextrusões, que são particularmente adequados para ser usado na forma defolhas, chapas ou extrusões na construção de estruturas soldadas ou ligadastais como recipientes de armazenagem, recipientes de pressão e recipientespara transporte terrestre e marítimo. Produtos laminados podem ter uma es-pessura na faixa de uns poucos mm, por exemplo, até 200 mm. Extrusõesda liga desta invenção podem ser usadas por exemplo em tubos para estru-turas navais soldadas, e arames de adição de solda podem ser fabricados apartir da liga desta invenção.

Descrição da Técnica Relacionada

Ligas de alumínio-magnésio com níveis de Mg na faixa de2,0 a 5,0% em peso são amplamente usadas nas construções soldadastais como recipientes de armazenagem, recipientes de pressão e reci-pientes para transporte terrestre e marítimo. Uma liga padrão deste tipoé a liga AA5083 tendo a seguinte composição nominal, em peso per-centual:

Mg 4,0-4,9

Mn <0,50

Cr 0,05-0,25

Ti <0,15

Fe <0,4

Si <0,40

Zn <0,25

Cu <0,1

Outros (cada) < 0,05

(total) <0,15

Saldo AlEm particular, a liga AA5083 na têmpera macia é usada na cons-trução de carros tanque, vagonetes basculantes, etc.. A principal razão daversatilidade da liga AA5083 é que ela fornece boas combinações de altaresistência (tanto à temperatura ambiente quanto à temperatura criogênica),leve em peso, resistente à corrosão, deformabilidade e soldabilidade. Entre-tanto o uso desta liga é limitado a aplicações que requeiram temperaturas deserviço abaixo de 80°C. Caso a aplicação pretendida da liga necessite expo-sição a temperaturas acima de 80°C, conforme comparado à liga AA5083,então ligas de alumínio com menores níveis de Mg, tais como a AA5454, sãoselecionadas. A liga padrão AA5454 tem a composição nominal, em pesopercentual:

Mg 2,4-3,0

Mn 0,5-1,0

Cr 0,05-0,20

Ti <0,20

Fe <0,40

Si <0,25

Zn <0,25

Cu <0,1

Outros (cada)< 0,05

(total) <0,15

Saldo Al

Infelizmente, a resistência alcançável antes e após a soldagem émenor que aquela da liga AA5083.

Algumas outras verificações das ligas Al-Mg verificadas na litera-tura da técnica anterior serão mencionadas abaixo.

A EP-A-0799900 descreve um material de alumínio-magnésio dealta resistência para grandes estruturas soldadas com a seguinte composi-ção química, em peso percentual:

Mg 4,5 - 7, e preferivelmente 5,2 - 5,6

Mn 0,4-1,2

Zn 0,4-5Zr 0,3 máx

Cr 0,3 máx

Ti 0,2 máx

Fe 0,5 máx

Si 0,5 máx

Cu 0,4 máx

Saldo Al e as inevitáveis impurezas.

O objetivo é fornecer material em chapas com resistência subs-tancialmente melhorada tanto nas têmperas macias quanto nas têmperasendurecidas quando comparado com aqueles da liga padrão AA5083.

A JP-A-01 062433 descreve uma liga de alumínio apta para aextrusão de paredes de espessuras finas, contendo uma quantidade menorde Mg. A composição, em peso percentual, é:

A liga de alumínio descrita tem características de extrusão me-lhoradas se comparada com a AA5083.

A GB-A-2000806 propõe um metal de adição para ligas de sol-dagem AIZnMg. Este documento descreve várias composições de liga, porexemplo, em peso percentual:

Mg 1,0-3,0

Mn 0,2-0,8

Zr 0,05-0,25

Zn 1,0-4,0

Mg 2,0-5,0

Cu 0,2-0,5

Mn 0,3-0,5

Ti 0,05-0,2

Cr 0,05-0,4

Zr 0,05-0,2Si 0,3 máx

Fe 0,4 máx

Saldo alumínio

O metal de adição descrito inclui uma adição de cobre que é ditacomo servindo para suprimir a corrosão nos limites da solda.

A FR-A-2370105 descreve um método para a produção de cha-pas de alumínio tendo maior teor de Zn e menor teor de Mn1 com boas pro-priedades mecânicas e uma boa resistência à corrosão. A chapa de alumíniotem a seguinte composição química, em peso percentual:

Mg 3,5-5,0

Zn 1,5-3,0

Mn 0,4 máx

Zr 0,3 máx

Cu 0,3 máx

Cr 0,15 máx

Si 0,35 máx

Fe 0,4 máx

Saldo alumínio e impurezas

A DE-A-2652960 descreve um método para a produção de cha-pas de alumínio tendo um teor de Zn mais alto, com boas propriedades me-cânicas e uma boa resistência à corrosão. A chapa de alumínio tem a se-guinte composição química em peso percentual:

Mg 3,5-5,0

Zn 1,5-3,0

Mn 0,6 máx, preferível mente 0,4 máx, mais preferivelmente 0,05 máx.

Zr 0,3 máx

Cu 0,3 máx

Cr 0,35 máx, preferivelmente 0,04 máx

Si 0,35 máx

Fe 0,4 máx

Saldo alumínio e impurezas

A JP-A-61 006244 descreve uma liga de alumínio de alta resis-tência tendo um teor de Zn muito alto e um teor menor de Mn, e um métodopara sua fabricação. A liga de alumínio tem a seguinte composição químicaem peso percentual:

Mg - 5,0

Zn 2,1-3,5

Cu 0,05-0,6

0,5 - 0,6 opcionalmente, de um ou mais entre: Mn 0,05-0,4

Cr 0,05-0,25

Zr 0,05-0,25

V 0,05-0,25

Saldo alumínio e impurezas

A JP-A-61 099654 descreve uma liga de alumínio, tendo um teormais baixo de Mg, para um conector tendo resistência à corrosão, resistên-cia e soldabilidade de junta melhoradas de uma extrusão de furo de parafu-so. A liga de alumínio compreende, em peso percentual:

Mg 1,0-3,0

Zn 1,0-3,0

Mn 0,5-1,5

Cr 0,3 máx

Zr 0,3 máx

Saldo: alumínio e impurezas.

Sumário da Invenção

Um objetivo da presente invenção é fornecer um produto lami-nado ou extrudado de uma liga de alumínio-magnésio com resistência subs-tancialmente melhorada antes e na condição de soldado e tendo uma de-formabilidade pelo menos equivalente à liga padrão AA5454.

De acordo com a invenção é fornecida uma liga de alumínio-magnésio na forma de um produto laminado ou de uma extrusão, tendo aseguinte composição e peso percentual:

Mg >3,0-4,5

Mn 0,4-1,2

Zn 0,4-1,7Zr 0,05-0,25Cr 0,3 máxTi 0,2 máxV 0,2 máxLi 0,5 máxSc 0,5 máxFe 0,5 máxSi 0,5 máxCu 0,15 máxAg 0,4 máx

Saldo Al e as inevitáveis impurezasPela invenção podem-se fornecer chapas de liga ou extrusãoque tenham resistência maior que as da AA5454, e particularmente as juntassoldadas da presente liga podem ter resistência maior que as soldas do pa-drão AA5454. Verificou-se também que as ligas da presente invenção têmuma resistência à deformação a longo prazo e à esfoliação por corrosão me-lhoradas a temperaturas acima de 80°C, que é a temperatura máxima deuso para a liga AA5083. Produtos laminados da liga de acordo com a inven-ção têm uma deformabilidade pelo menos equivalente àquelas da liga pa-drão AA5454.

A invenção também consiste em uma estrutura soldada ou liga-da tendo pelo menos uma chapa soldada ou extrusão da liga exibida acima.Preferivelmente a prova de resistência da solda é pelo menos 110 MPa1 emais preferivelmente pelo menos 120 MPa1 e ainda mais preferivelmentepelo menos 125 MPa.

A invenção consiste também no uso da liga da invenção comoarames de adição de solda, e é preferivelmente fornecida na forma de arametrefilado. O arame pode ser produzido, por exemplo, extrudando-se a ligaatravés de uma matriz de furos múltiplos. A haste extrudada pode então serestirada em arame usando-se etapas múltiplas de estiramento. O arame po-de também ser produzido pelo Iingotamento contínuo da liga na forma, porexemplo, de uma barra redonda. As barras podem também ser bobinadasdiretamente ou após uma etapa de laminação, e então subseqüentementeestirada para produzir o arame de adição de solda.

Acredita-se que as propriedades envelhecidas melhoradas dis-poníveis com a invenção, particularmente os níveis mais altos de resistênciaem têmperas macias e duras e nas têmperas, resultam dos níveis de Mg, Mne Zr nas faixas dadas.

Além disto, acredita-se que os níveis de Fe e Mn nas faixas da-das contribuem para a boa deformabilidade da liga, em particular são obtidosbons resultados quando a razão Fe/Μη está na faixa de 0,6/1,0.

Em adição, a seleção do Mg e do Zn a níveis adequados nasfaixas dadas contribui para a resistência das soldas, permitindo um efeito deenvelhecimento natural na zona afetada pelo calor das soldagens. Em parti-cular, são obtidos bons resultados para maiores resistências após a solda-gem onde a razão Mg/Zn está na faixa de 2 a 8.

Os produtos laminados da liga da invenção podem ser fabrica-dos por preaquecimento, laminação a quente, opcionalmente laminação afrio, com ou sem recozimento intermediário, e recozimento/envelhecimentofinal do lingote da liga Al-Mg da composição selecionada. As condições sãopreferivelmente que a temperatura para preaquecimento esteja na faixa de300 a 530°C. A homogeneização opcional antes da laminação a quente estána faixa de 350 a 580°C por um tempo de não mais que 24 horas. É aplicadauma laminação a frio opcional de 20 a 90% da chapa laminada a quente comou sem recozimento intermediário. O recozimento final e o envelhecimento eo recozimento intermediário são executados a temperaturas na faixa de 80 a550°C e o período de encharque na temperatura de recozimento na faixa de2 minutos a 10 horas. É também aplicado o resfriamento das chapas comágua ou ar em seguida ao recozimento intermediário e/ou final. O recozi-mento pode ser executado após a etapa de laminação a quente e a chapafinal pode ser estirada no máximo em 10%.

As razões para as limitações dos elementos de ligação e dascondições do processo da liga de alumínio conforme a presente invençãosão descritas abaixo.Todas as porcentagens da composição são em peso.

Mg: O Mg é o elemento primário de reforço na liga. Níveis de Mgabaixo de 3,0 % não fornecem a resistência de solda necessária e quando aadição excede 5,0% a produção da liga é difícil. O nível preferido de Mg estána faixa de >3,0 até 4,5% e mais preferivelmente na faixa de 3,5 a 4,5% emais preferivelmente ainda na faixa de 3,7 a 4,5%.

Mn: O Mn é um elemento aditivo essencial. Em combinação como Mg, o Mn fornece a resistência tanto no produto laminado quanto nas jun-tas soldadas da liga. Níveis de Mn abaixo de 0,4% não podem fornecer re-sistência suficiente para as juntas soldadas da liga. Acima de 1,2% o Iingo-tamento torna-se mais difícil. A faixa preferida para o Mn é de 0,4 a 0,75%, oque representa um acerto entre resistência e facilidade de fabricação.

Os níveis de Fe e Mn devem ser selecionados de tal forma que arazão Fe/Μη caia dentro da faixa de 0,3 a 1,0, o que permite a formação demais Fe globular e Mn contendo dispersóides no material da presente inven-ção através do qual a boa conformabilidade é alcançada. Uma razão Fe/Mnmais preferida está na faixa de 0,3 a 0,7.

Zn: O Zn é um aditivo importante para a resistência da liga à cor-rosão. Abaixo de 0,4%, a adição de Zn não fornece tanta resistência inter-granular à corrosão quanto a liga AA5454. A níveis de Zn acima de 1,7%, aresistência à corrosão diminui devido ao efeito da alteração não uniforme delongo prazo da precipitação contendo Mg. Por esta razão, o nível máximopreferido de Zn é de 1,2%, e mais preferivelmente de 0,9%. Os níveis de Zndevem ser escolhidos de forma que a razão Mg/Zn esteja na faixa de 2 a 8 oque é necessário para atingir o envelhecimento natural suficiente na zonaafetada pelo calor de uma soldagem e posteriormente equilibrar a microes-trutura para a resistência ótima à corrosão.

Zr: O Zr é importante para alcançar uma estrutura de grão refi-nado na zona de fusão das juntas soldadas usando-se a liga da invenção.Níveis de Zr acima de 0,25% tendem a resultar em partículas primárias mui-to grosseiras em forma de agulhas que diminuem a facilidade de fabricaçãodas ligas e a deformabilidade dos produtos laminados da liga ou extrusões, eentão o nível de Zr não deve ser maior que 0,25%. O nível mínimo de Zr é0,05% e para fornecer um refinamento de grão suficiente é empregada umafaixa preferida de Zr de 0,10 a 0,20%.

Cr: O Cr melhora a resistência à corrosão da liga. Entretanto, oCr limita a solubilidade do Mn e do Zr. Portanto, para evitar a formação deprimários grosseiros, o nível de Cr não deve ser maior que 0,3%. Uma faixapreferida para o Cr é de até 0,15%.

Ti: O Ti é importante como um refinador de grãos durante a soli-dificação tanto do lingote quanto das juntas soldadas produzidas usando-sea liga da invenção. Entretanto o Ti em combinação com o Zr forma primáriosgrosseiros indesejáveis. Para evitar isto, os níveis de Ti não devem ser mai-ores que 0,2% e uma faixa preferida para o Ti é não mais que 0,1%. Um ní-vel mínimo adequado para o Ti é de 0,05%. O Ti pode ser substituído emptécnica ou no total pelo V na mesma faixa de composição.

Li: O Li pode opcionalmente ser incluído na liga até um máximode 0,5%, preferível mente pelo menos 0,05%. O Li adicionado também formaintermetálicos com o Mg ou promove a precipitação do Mg contendo inter-metálicos entre seus grãos. De qualquer forma a adição de Li ajudará a me-lhorar a resistência à corrosão.

Sc: O Sc pode opcionalmente ser incluído na liga até um máxi-mo de 0,5%, e preferivelmente pelo menos 0,05%, para melhorar a tensão ea resistência à corrosão intergranular pela formação de AI3Sc ou precipita-dos contendo Mg e Sc.

Fe: O Fe forma compostos Al-Fe-Mn durante o lingotamento,limitando assim os efeitos benéficos devidoo Mn. Níveis de Fe acima de0,5% causam a formação de partículas primárias grosseiras que diminuem aduração da fadiga das juntas soldadas da liga da invenção. A faixa preferidapara o Fe é de 0,15 a 0,35%, mais preferivelmente 0,20 a 0,30%.

Si: O Si também combina com o Fe para formar partículas defase Al-Fe-Si que podem afetar a duração da fadiga das juntas soldadas daliga. Para evitar perdas no elemento primário de reforço Mg devido à forma-ção de Mg2Si, o nível de Si não deve ser maior que 0,5%. A faixa preferidapara o Si é 0,07 a 0,25%, mais preferivelmente 0,10 a 0,20%.

Cu: O nível de Cu não deve ser maior que 0,15%. Níveis de Cuacima de 0,15% fazem aparecer a deterioração inaceitável na resistência àcorrosão de microfissuras dos produtos laminados da liga da invenção. Onível preferido para o Cu é de não mais que 0,1%.

Ag: A Ag pode ser opcionalmente incluída na liga até um máxi-mo de 0,4%, preferivelmente pelo menos 0,05%, para melhorar também atensão da resistência à corrosão.

O saldo é alumínio e as inevitáveis impurezas. Tipicamente cadaelemento de impureza está presente no máximo a 0,05% e o total de impu-rezas é de no máximo 0,15%.

Métodos para fabricar o produto da invenção serão agora descri-tos.

O preaquecimento antes da laminação a quente é usualmenteexecutado a uma temperatura na faixa de 300°C. O tratamento de homoge-neização opcional antes do preaquecimento é geralmente executado a umatemperatura na faixa de 350 a 580°C em etapa único ou etapas múltiplas.Em qualquer caso, a homogeneização reduz a segregação dos elementosde ligação no material conforme lingotado. Em etapas múltiplas, Zr, Cr e Mnpodem ser intencionalmente precipitados para controlar as microestruturasdo material de saída do Iaminador a quente. Se o tratamento for executadoabaixo de 350°C, o efeito resultante da homogeneização é inadequado. Se atemperatura for acima de 580°C, pode ocorrer uma fusão eutética resultandonuma formação indesejável de poros. O tempo preferido do tratamento dehomogeneização é entre 1 e 24 horas.

Usando-se um processo de laminação a quente estritamentecontrolado, é possível eliminar as etapas de laminação a frio e/ou recozi-mento no caminho do processo para as chapas.

Uma redução na laminação a frio de 20 a 90% pode ser aplicadaàs chapas laminadas a quente ou às folhas antes do recozimento final. Asreduções da laminação a frio tais como 90% podem necessitar de um trata-mento de recozimento intermediário para evitar trincas durante a laminação.O recozimento final ou o envelhecimento podem ser executados em cicloscompreendendo etapas simples ou múltiplas em cada caso, durante o aque-cimento e/ou a manutenção e/ou o resfriamento da temperatura de recozi-mento. O período de aquecimento é preferivelmente na faixa de 2 minutos a15 horas. A temperatura de recozimento está na faixa de 80 a 550°C depen-dendo da têmpera. Uma faixa de temperaturas de 200 a 480°C é preferidapara produzir têmperas macias. O período de encharque na temperatura derecozimento está preferivelmente na faixa de 10 minutos a 10 horas. Se apli-cadas, as condições do recozimento intermediário podem ser similares à-quelas do recozimento final. Além disso, os materiais que saem do forno derecozimento podem ser também resfriados com água ou ar. As condições dorecozimento intermediário são similares àquelas do recozimento final. O esti-ramento ou o nivelamento na faixa de 0,5 a 10% podem ser aplicados àchapa final.

Exemplo

Em uma escala de teste de laboratório sete ligas foram Iingota-das (veja Tabela 1). As ligas 1 e 3 são exemplos comparativos, dos quais aliga 1 está na faixa da liga AA5454 e a liga 3 na faixa da AA5083. As ligas 4a 7 são todas exemplos da liga de acordo com a invenção.

Os lingotes foram homogeneizados por 14 horas a 510°C, e en-tão laminados a quente de 80mm até 3mm. Foram então laminados a frio de3 até 2 mm e sofreram recozimento intermediário, subseqüentemente foramlaminados a frio até a espessura final de 1,2mm. As folhas laminadas a friosofreram recozimento final por 1 hora a 350°C, usando-se uma taxa de a-quecimento e resfriamento de 30°C/h.

Os materiais obtidos foram testados à temperatura ambiente emsuas propriedades mecânicas nas direções L e TL, (veja Tabela 2). Sabe-seque dentro dos erros experimentais os resultados de teste de tração que re-sultam de amostras O-têmpera são indicativos equivalentes à resistêncianas condições de soldado. Adicionalmente, os materiais foram testados emseu comportamento quanto à corrosão. Para o teste de perda de peso deacordo com a ASTM G67 o material foi testado tanto com a sensibilizaçãoquanto sem a sensibilização. A ASTM G67 foi usada para avaliar a resistên-cia das ligas à corrosão intergranular. Outros materiais foram sensibilizadospor 24 horas a 150°C. Os resultados estão listados na Tabela 3. A resistên-cia à corrosão por microfissuração e esfoliação nas condições de soldadoforam testadas usando-se o teste ASSET de acordo com a ASTM G66. Osresultados estão listados na Tabela 4, onde PA e PB significam microfissu-rações leves e microfissurações moderadas respectivamente.

Dos resultados da Tabela 2 pode ser visto que a liga conforme ainvenção tem propriedades mecânicas acima da AA5454 e comparáveis coma liga AA5083. Uma comparação dos valores de alongamento uniforme dasligas indica que a ductilidade das ligas é aproximadamente a mesma suge-rindo que a deformabilidade das ligas da invenção é equivalente à AA5454.Também dos resultados das Tabelas 3 e 4 pode ser visto que a liga de acor-do com a invenção e a liga de referência AA5454 têm valores de perda depeso menores que 15 mg/cm2, ambas antes e após a sensibilização a 150°Cpor 25 horas. Então de acordo com a especificação ASTM G67, estes mate-riais podem ser considerados como resistentes à corrosão intergranular. En-tretanto, a liga 3 (AA5083) tem um valor de perda de peso de 22 mg/cm2 nacondição de sensibilização e portanto suscetível à corrosão intergranular.Como as ligas de acordo com a invenção têm uma resistência à corrosãomelhorada se comparada com a AA5083, elas podem ser usadas em aplica-ções a temperaturas de serviço acima de 80°C, e tipicamente cerca de100°C.

Tabela 1

<table>table see original document page 13</column></row><table>Tabela 2

<table>table see original document page 14</column></row><table>

Tabela 3

<table>table see original document page 14</column></row><table>

Tabela 4

<table>table see original document page 14</column></row><table>Na Tabela 4, as ligas 1 e 2 apresentam microfissurações leves, microfissu-rações moderadas e falhas de fundição, sob a forma de bolhas, a liga 3 a-presenta microfissurações moderadas e falhas de fundição, sob a forma debolhas, e as ligas 4, 5, 6 e 7 apresentam somente microfissurações modera-das.

Claims

1. Liga de alumínio-magnésio na forma de um produto laminadoou extrudado, caracterizada pelo fato de que contém a seguinte composiçãoem peso percentual:Mg >3,0-<4,5Mn 0,4-1,2Zn 0,4 - 0.9Zr 0,05-0,25Cr 0,3 máxTi 0,2 máxV 0,2 máxLi 0,5 máxSc 0,5 máxFe 0,5 máxSi 0,5 máxCu 0,15 máxAg 0,4 máxe com a condição de que a razão Fe/Μη esteja na faixa de 0,3 a 1,0,que a razão Mg/Zn esteja na faixa de 2 a 8,Outros máx 0,05 (cada)máx 0,15 (total)saldo: Alumínio

2. Liga de alumínio-magnésio, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que o teor de Mg está na faixa de 3,5 a < 4,5 %em peso.

3. Liga de alumínio-magnésio, de acordo com a reivindicação 1ou 2, caracterizada pelo fato de que o teor de Cu está na faixa de 0,1 % má-ximo em peso.

4. Liga de alumínio-magnésio, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o teor de Mn está nafaixa de 0,4 a 0,75 %.