JULIO CÉSAR LOURENÇO
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA JULIO CÉSAR LOURENÇO Determinação e quantificação dos fatores que geram defeitos superficiais em ligas de alumínio durante um processo de produção de peças aeronáuticas Lorena 2014
Transcript of JULIO CÉSAR LOURENÇO
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
JULIO CÉSAR LOURENÇO
Determinação e quantificação dos fatores que geram defeitos superficiais em ligas de
alumínio durante um processo de produção de peças aeronáuticas
Lorena
2014
JULIO CÉSAR LOURENÇO
Determinação e quantificação dos fatores que geram defeitos superficiais em ligas de
alumínio durante um processo de produção de peças aeronáuticas
Trabalho de Graduação apresentado à
Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo para obtenção
do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Alain Laurent Marie
Robin (EEL-USP)
Lorena
2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS
DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha Catalográfica Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais
EEL USP
Lourenço, Julio
Determinação e quantificação dos fatores que geram
defeitos superficiais em ligas de alumínio durante um
processo de produção de peças aeronáuticas. /Julio César
Lourenço; Alain Laurent Marie Robin. --Lorena, 2014.
61f.: il.
Trabalho de Graduação apresentado como requisito
parcial para obtenção do grau de Engenheiro de Materiais –
Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo.
1. Corrosão 2. Alumínio 3. DOE 4. 7075T73
I. Determinação e quantificação dos fatores
que geram corrosão em ligas de alumínio
durante um processo de produção de peças
aeronáuticas.
CDU 620
Dedico este trabalho a todos que estiveram do
meu lado durante essa jornada. Aos meus
pais, por todo o apoio de todas as maneiras
possíveis. Dedico também aos professores
que me inspiraram e deram forças para eu
poder chegar até aqui.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Universidade de São Paulo e a Liebherr, que através dessa parceria esse trabalho
tornou-se realidade. Agradeço também aos professores envolvidos no trabalho, Prof. Dr.
Alain Laurent Marie Robin, orientador deste trabalho de graduação, e Prof.ª Dr.ª Maria
Ismênia Sodero Toledo Faria, professora orientadora da fase experimental do projeto.
Agradeço também a Liebherr pela parceria formada, que trouxe enormes benefícios para todas
as partes, servindo de exemplo através desse trabalho pioneiro de parceria.
“Nesse curso não iremos formar engenheiros
empregados, iremos formar engenheiros
empregadores.”
Prof. Dr. Hugo Ricardo Zschommler Sandim –
1ª aula da turma de Engenharia de Materiais –
ano 2008
RESUMO
LOURENÇO, J.C. Determinação e quantificação dos fatores que geram defeitos
superficiais em ligas de alumínio durante um processo de produção de peças
aeronáuticas. 2014. 61f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) –
Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
As ligas de alumínio da série 7XXX são de considerável importância tecnológica devido à
elevada razão resistência mecânica/massa e elevada resistência à corrosão em atmosferas
industriais e marinhas. No setor aeronáutico são usadas para a confecção de peças de sistemas
de acionamento/controle, sistemas hidráulicos e sistemas de ar. Estas peças passam por quatro
etapas no processo de fabricação: usinagem, ajustagem/rebarbação, ensaio não destrutivo e
anodização, nas quais entram em contato com diversos fluidos, soluções de desengraxamento
e de lavagem, que podem gerar defeitos superficiais, retrabalho e refugo. O presente trabalho
teve como objetivo estudar a influência dos parâmetros de processo em todas as etapas sobre
o aparecimento de defeitos superficiais em peças da liga 7075, especificamente, corrosão
localizada. A metodologia do trabalho consistiu de: (i) Delineamento de Experimentos
(DOE): procedimento que envolve alterações propositivas em fatores controláveis de um
processo de modo a observar possíveis alterações sofridas pela variável resposta de interesse,
que neste trabalho foi a quantidade de defeitos superficiais; (ii) Testes de simulação de
produção da peça: foram realizados experimentos simulando as etapas essenciais de
manufatura da peça no processo industrial, (iii) Análise superficial via estéreo microscópio: as
peças com defeitos foram selecionadas e avaliadas via estéreo microscópio; (iv) Quantificação
da corrosão superficial através do software de quantificação ImageJ e a variável resposta
colocada no software Minitab, o mesmo usado para geração dos experimentos. Os resultados
mostraram que o tipo de dispositivo usado para prender a peça durante o processo de
usinagem (passivado ou não passivado) e o cloreto do fluido refrigerante durante o processo
de usinagem, apresentaram-se como fatores de primeira ordem para o aparecimento da
corrosão. Também se mostraram significativas as interações entre o cloreto e o dispositivo na
etapa de usinagem, em seguida interações entre dureza do fluido e o tipo de água usada na
lavagem pós-emulsificador do ensaio liquido penetrante. Houve também a influência
significativa das interações de três fatores, uma entre o tipo de dispositivo, a dureza do fluido
refrigerante, e a água de lavagem pós-emulsificador, e a outra interação entre a concentração
de cloreto no fluido refrigerante, o tipo de dispositivo e a água de lavagem pós-emulsificador.
Os resultados obtidos foram aplicados na linha produção com sucesso.
Palavras-chave: liga Al 7075T73. Delineamento de experimentos. Quantificação. Corrosão
Superficial.
ABSTRACT
LOURENÇO, J.C. Determination and quantification of process factors that lead to
superficial defects in aluminum alloys during the manufacturing of components in
aircraft industry. 2014. Number of sheets 61. Monograph (Undergraduate Work in Materials
Engineering) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
Aluminum alloys of the 7XXX series are widely used in aircraft applications. During the
manufacturing of aeronautic components, the parts pass through four production steps
(milling/drilling, deburring/adjustment, non-destructive testing, and surface treatment) and
come into contact with several kinds of fluids such as degreasing and cleaning solutions,
which can lead to the occurrence of surface defects due to localized corrosion, then requiring
reworking or scrapping. The present study aimed at studying the influence of process
parameters of all steps for this aluminum alloy manufacturing parts for aircraft usage stage on
the development of surface defects in 7075 alloy parts. The methodology consisted of design
of experiments, immersion and drying tests, and surface analysis for quantification of
corrosion damage. The results showed that the bench vice jaws material, which is used to hold
the part during the machining step (passivated or not passivated) and chloride concentration of
the cooling fluid used for machining are significant factors in the corrosion process. It was
also shown the importance of the interaction between the chloride concentration and the jaw
type, and the interaction between the fluid hardness during the machining phase and the type
of water used in the post-emulsifying washing water used after the liquid-penetrating test. It
was also observed interactions of third order between the jaw type, the liquid hardness and the
post-emulsifying washing water, and between the chloride concentration, the jaw type and the
post-emulsifying washing water. The final results were applied to the production line with
success.
Keywords: Alloy 7075T73. Design of experiments. Quantification. Superficial corrosion.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Relação geral entre a resistência sob tensão fraturante e resistência durante o
envelhecimento de ligas de alumínio em temperaturas elevadas ............................................. 35
Figura 2. Representação esquemática da proteção anódia óxida do ácido sulfúrico ................ 41
Figura 3. Descrição dos estágios básicos da inspeção do tipo líquido-penetrante ................... 47
Figura 4. Aparato para realização dos experimentos previstos no DOE .................................. 50
Figura 5. Fluxograma esquemático dos processos e variáveis controladas para a fabricação de
uma peça de alumínio do tipo 7075 .......................................................................................... 50
Figura 6. Imagem tirada com o stereoscópio de áreas que apresentaram corrosão após o
procedimento experimental ...................................................................................................... 52
Figura 7. Exemplo de área selecionada com corrosão para quantificação ............................... 53
Figura 8. Pareto de efeito geral do experimento objeto de estudo ........................................... 54
Figura 9. Pareto de interação entre os níveis de cloreto e o tipo de dispositivo usado no
procedimento ............................................................................................................................ 55
Figura 10. Pareto de interação entre os níveis de lavagem pós-emulsificador e a dureza da
água utilizada no procedimento ................................................................................................ 55
Figura 11. Cubo de interação entre as variáveis dispositivo, dureza da água e lavagem pós-
emulsificador ............................................................................................................................ 56
Figura 12. Cubo de interação entre as variáveis cloreto, dureza da água e lavagem pós
emulsificador ............................................................................................................................ 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Solubilidade máxima dos principais elementos formadores de liga em alumínio ... 22
Tabela 2. Temperatura e formas de corrosão ........................................................................... 37
Tabela 3. Tabela fatorial completo do tipo 2k para 3 fatores ................................................... 43
Tabela 4. Composição nominal da liga 7075-T73 ................................................................... 49
Tabela 6. Resultados por região de corrosão, através do software ImageJ .............................. 53
LISTA DE SIGLAS
CNC Controle numérico computadorizado
DI Deionizada
DOE Design of experiment
LP Líquido penetrante
pH Potencial hidrogeniônico
ppm Partes por milhão
SCC Stress corrosion crack (corrosão sob tensão fraturante)
UV Ultravioleta
µS/cm Unidade de condutância específica (condutividade)
LISTA DE SÍMBOLOS
Al Alumínio
Cr Cromo
Cu Cobre
Fe Ferro
GP Guinier-Preston
H Hidrogênio
Mg Magnésio
Mn Manganês
O Oxigênio
Si Silício
SSS Solução sólida supersaturada
Ti Titânio
Zn Zinco
Zr Zircônio
α Solução sólida supersaturada
η Precipitado MgZn2 forma hexagonal
η’ Precipitado coerente MgZn2
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 20
2.1 Ligas de alumínio, classificação, características e aplicações ................................... 20
2.2 Metalurgia da série 7XXX ......................................................................................... 22
2.2.1 Solubilização ...................................................................................................... 22
2.2.2 Têmpera .............................................................................................................. 22
2.2.3 Endurecimento por precipitação – envelhecimento natural e artificial .............. 23
2.3 Efeito dos elementos de liga nas ligas de alumínio ................................................... 25
2.3.1 Cobre .................................................................................................................. 25
2.3.2 Magnésio ............................................................................................................ 25
2.3.3 Zinco ................................................................................................................... 25
2.3.4 Zinco-Magnésio .................................................................................................. 26
2.3.5 Zinco-Magnésio-Cobre ....................................................................................... 26
2.3.6 Zircônio .............................................................................................................. 26
2.3.7 Cromo ................................................................................................................. 27
2.3.8 Manganês ............................................................................................................ 27
2.4 Microestrutura da liga 7XXX .................................................................................... 27
2.5 Corrosão nas ligas de alumínio .................................................................................. 31
2.5.1 Corrosão em frestas ............................................................................................ 32
2.5.2 Corrosão por cavitação ....................................................................................... 32
2.5.3 Corrosão na linha da água (“Waterline corrosion”) ........................................... 32
2.5.4 Corrosão uniforme .............................................................................................. 33
2.5.5 Corrosão puntiforme (pites) ............................................................................... 33
2.5.6 Corrosão intergranular ........................................................................................ 33
2.5.7 Corrosão sob tensão fraturante ........................................................................... 34
2.5.8 Corrosão transgranular ....................................................................................... 35
2.5.9 Corrosão filiforme .............................................................................................. 35
2.5.10 Esfoliação ........................................................................................................... 35
2.5.11 Corrosão seletiva ................................................................................................ 36
2.6 Influência de parâmetros do ambiente na corrosão de ligas de alumínio em meios
aquosos .................................................................................................................................. 36
2.7 Tratamentos de superfície nas ligas de alumínio ....................................................... 38
2.7.1 Tratamento químico de conversão ...................................................................... 38
2.7.2 Tratamento de cromato ...................................................................................... 39
2.7.3 Tratamento de cromato-fosfato .......................................................................... 39
2.7.4 Tratamento baseado em cromato de cromo ....................................................... 39
2.7.5 Anodização......................................................................................................... 39
2.8 Designs de experimentos exploratórios ..................................................................... 41
2.8.1 Experimentos fatoriais tipo 2k ............................................................................ 42
2.8.2 Experimentos fatoriais do tipo 2k-p
..................................................................... 42
2.8.3 Experimentos fatoriais do tipo 2k-1
(meia-fração) .............................................. 43
2.8.4 Fatorial Fracionado um-quarto – 2k-2
................................................................. 44
2.9 Descrição dos processos de fabricação de peças para a indústria aeronáutica .......... 45
2.9.1 Usinagem ........................................................................................................... 45
2.9.2 Ajustagem .......................................................................................................... 46
2.9.3 Inspeção de produção ......................................................................................... 46
2.9.4 Ensaios não destrutivos – líquido penetrante ..................................................... 46
2.9.5 Tratamentos de superfície – Anodização crômica e sulfúrica ........................... 47
2.9.6 Montagem .......................................................................................................... 47
2.9.7 Inspeção final ..................................................................................................... 48
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 49
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 54
5 CONCLUSÕES ................................................................................................................ 58
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 59
17
1 INTRODUÇÃO
As ligas da série 7xxx – ligas Alumínio-Zinco-Magnésio são ligas extensivamente
usadas em aplicações sob altas solicitações mecânicas, sendo comum sua aplicação em partes
estruturais de aeronaves, devido as suas ótimas propriedades mecânicas e sua baixa massa
específica quando comparado aos aços. Por exemplo, a liga 7075 é usada em sistemas
hidráulicos, na estrutura das asas de aeronaves e em componentes de atuadores e
controladores. Sendo assim, as ligas dessa série são de extrema importância tecnológica
devido a sua larga aplicação (FARIA, ROBIN, et al, 2012; FARIA, ROBIN, et al, 2012).
A adição de outros elementos ao alumínio faz com que suas propriedades sejam
melhoradas. O uso do cobre nessa liga aumenta a resistência à corrosão sob tensão (stress
corrosion cracking), mas diminui a resistência a outras formas de corrosão. Por outro lado,
precipitados presentes na liga em questão, como MgZn2 – que conferem a alta resistência
mecânica a essa liga (endurecimento por precipitação), agem como anodos e se dissolvem
preferencialmente, acarretando em corrosão localizada (FARIA, ROBIN, et al, 2012).
No ambiente empresarial atual moderno, falhas catastróficas devido à corrosão de
peças não podem ser toleradas, pois colocam em risco a vida de pessoas – podendo até mesmo
levar a fatalidades – provocando paradas de equipamentos inesperadas e contaminações nos
meios ao redor. A esses problemas são agregados custos para reparo, e custos em termos de
segurança humana. Para evitar tal acontecimento, faz-se necessário uma boa seleção prévia do
material a ser usado para uma aplicação específica, num determinado ambiente, e ainda
controlar os parâmetros possíveis para minimizar a deterioração do material (ROBERGE,
P.R., 2008).
Para obter um controle satisfatório da corrosão durante a fabricação de peças onde
estas são submetidas a vários processos e ambientes diversos, é necessário conhecer quais os
parâmetros que exercem influência sobre o aparecimento da corrosão, e ainda determinar
quais são as condições aceitáveis para a utilização do material naquele ambiente. Para tal
determinação é comum o uso de planejamento de experimentos (DOE - Design Of
Experiments).
Os DOEs permitem explicar e aprender como sistemas e processos funcionam a partir
de experimentos realizados, de forma a obter uma resposta mensurável para se tirar
conclusões sobre as variáveis que estão sendo estudadas na série de experimentos. São
procedimentos envolvendo alterações de fatores de processos controláveis no intuito de
determinar qual fator tem um efeito significante na variável resposta. Os DOEs são muito
18
utilizados para formulação e design de novos produtos, melhoria nos processos, reduzir a
variabilidade entre peças produzidas, reduzir o tempo de produção e custos em geral. Os
DOEs são também utilizados em setores não ligados diretamente à produção, como
marketing, operações de serviços e operações de negócios em geral (MONTGOMERY,
2009). Um dos modelos de DOEs mais usados, o método Taguchi, é uma metodologia que
consegue trazer esses designs estatísticos para o contexto de engenharia, usando uma pequena
base estatística e dispondo os experimentos em tabelas, o que o torna simples de ser aplicada
em toda a cadeia de produção, direta e indiretamente (MASON, GUNST e HESS, 2003).
Uma divisão entre os tipos de experimentos pode ser feita através da sua finalidade:
design explanatórios são DOEs empregados para confirmar teorias pré-existentes ou alguma
verificação experimental anterior. Geralmente nesse caso o DOE é pequeno, visto que
normalmente o número de variáveis envolvidas é baixo. O segundo tipo - design exploratório
- é normalmente empregado em estágios iniciais de estudos, quando não se sabe exatamente
quais as variáveis envolvidas no processo são de real importância. Nesse caso, normalmente o
DOE torna-se grande, devido à necessidade de se acrescentar ao experimento uma quantidade
relativamente grande de variáveis, e, para esse caso, técnicas podem ser usadas para reduzir a
quantidade de experimentos sem grande perda nos resultados. A técnica do fatorial fracionado
é empregada em casos onde pode-se assumir que interações de três variáveis ou maiores não
são interessantes e estas podem ser negligenciadas. Nesta abordagem é utilizada apenas uma
fração de experimentos cuidadosamente pré-selecionados, a fim de avaliar os efeitos
principais e os efeitos de baixa ordem (interações entre dois fatores), tornando assim possível
analisar uma grande quantidade de fatores com um número de experimentos reduzido.
O processo de produção de uma peça de uso aeronáutico de uma liga da série 7xxx
passa normalmente pelos seguintes estágios: (i) usinagem: processo de trabalho que visa dar
forma a peça, atendendo as especificações com relação a dimensão e acabamento superficial;
(ii) ajustagem: etapa onde são feitos pequenos ajustes, como a retirada de rebarbas, um
polimento para obter uma rugosidade mais adequada, e que também serve para um controle
manual, verificando se a peça está em ordem. (iii) inspeção da produção: nesta parte do
processo é feito uma inspeção visual em todas as peças, verificando sua conformidade. (iv)
ensaio não destrutivo: realização de um ensaio de líquido penetrante com o intuito de revelar
possíveis descontinuidades na peça. (v) tratamento de superfície: processo para proteger a
superfície da peça, aumentando assim seu tempo de vida útil, sendo estes normalmente a
anodização crômica, a anodização dura e a cromatização.
19
A proposta do trabalho tem por objetivo identificar as variáveis de processo de
importância e o grau de importância que elas desempenham no aparecimento de corrosão em
peças de liga de alumínio 7075T73. As variáveis em estudo são variáveis de processos
utilizados em uma empresa que produz peças para utilização em aeronaves. O nome da
empresa será omitido nesse estudo, com o intuito de manter a confidencialidade e também
obter uma generalização dos processos utilizados dentro da empresa para a produção dessas
peças. Com os resultados desse trabalho, o ajuste que minimiza ao máximo o aparecimento de
defeitos superficiais será aplicado na linha de produção, sendo assim possível ter uma
verificação dos resultados na prática diária da empresa, justificando o escopo deste trabalho.
Como falado anteriormente a fabricação destas peças é constituída de várias etapas:
usinagem, ajustagem, inspeção, ensaio não destrutivo, e tratamento de superfície. Em um
trabalho anterior, foram determinados em cada etapa os fatores significantes no aparecimento
de corrosão nas peças. No presente trabalho foram escolhidos estes fatores e foi realizado um
planejamento de experimentos com estas variáveis gerando experimentos em peças que
passam por todas as etapas de produção, para assim obter dados referentes à corrosão no
processo do começo ao fim da linha de produção das peças.
O trabalho foi parte do projeto RHAE PESQUISADOR NA EMPRESA, Edital
MCT/SETEC/CNPq nº 32/2007, desenvolvido através de uma parceria entre a Escola de
Engenharia de Lorena-USP e a empresa parceira, com patrocínio CNPq.
20
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Ligas de alumínio, classificação, características e aplicações
As ligas de Alumínio forjadas podem ser separadas em dois tipos, as não-tratáveis
termicamente, 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX, e as tratáveis termicamente, 2XXX, 6XXX e
7XXX. As ligas não tratadas termicamente têm sua resistência mecânica aumentada devido ao
processo de deformação usado, sendo essas ligas encruadas. Já as ligas tratadas termicamente
tem seu aumento de resistência mecânica devido ao mecanismo de endurecimento por
precipitação.
De maneira geral, devido ao filme óxido natural proveniente do alumínio, muitas ligas
de alumínio apresentam ótima resistência a corrosão em muitos meios químicos e
atmosféricos. As ligas da série 1XXX, 3XXX, 5XXX e 6XXX são largamente usados em
ambientes aquosos, como a água do mar devido a essa propriedade em específico. As ligas de
alumínio em geral também apresentam boa condutividade térmica e elétrica, ótima relação
resistência/peso. Essas características somadas a sua alta reciclabilidade tornaram essas ligas
muito utilizadas em diversos setores industriais, como naval, aeronáutico, etc (KAUFMAN,
2000).
As ligas da série 1XXX são ligas de alumínio puro e suas variações, com composição
acima de 99.0% de Alumínio, e, são usados onde resistência a corrosão e maleabilidade são
necessárias, como em folhas de alumínio; são também usadas em equipamentos químicos e
carcaças de carros ou caminhões, e também em aplicações elétricas, onde tem vantagens sobre
o cobre, devido a sua densidade ser menor (KUTZ, 2002).
As ligas da série 2XXX (ligas Alumínio-Cobre) são ligas tratadas termicamente, e
possuem ótima resistência a altas temperaturas; não são tão resistêntes a corrosão em
ambiente atmosférico, por isso geralmente são pintados ou recebem algum outro tipo de
proteção superficial adicional. Dois exemplos dessa classe são a liga 2024 - utilizada
largamente em aplicações aeronáuticas, como em partes da fuselagem da aeronave- e a 2014,
sendo usada em partes de caminhões. (KUTZ, 2002).
As ligas da série 3XXX (ligas Alumínio-Manganês) são ligas de alta maleabilidade e
resistência média contra corrosão. São utilizadas em utensílios de cozinha e equipamentos
químicos; a liga 3003 é utilizada em trocadores de calor de veículos. Já as ligas 3004 e 3104
são as ligas principalmente usadas na confecção dos corpos das latas de alumínio para bebidas
(KUTZ, 2002).
21
As ligas da série 4XXX (ligas Alumínio-Silício) são ligas tratadas termicamente, e são
usadas nos pistões de aeronaves (4032) (KUTZ, 2002).
As ligas da série 5XXX (ligas Alumínio-Magnésio) são ligas de excelente resistência a
corrosão, com resistência mecânica moderada. São utilizadas em diversas aplicações, como
criogênicas, automotivas, construção, e em aplicações em alto mar. Alguns exemplos são a
liga 5454, utilizada em vagões de trens e as ligas 5083 e 5383 utilizadas em corpos de
embarcações. Em estruturas utilizadas em alto mar (plataformas de petróleo), onde ocorre
exposição com a água do mar e alta umidade algumas das ligas indicadas para suprir essa
demanda são as ligas 5454, 5086 e 5083 (KUTZ, 2002).
As ligas da série 6XXX (ligas Alumínio-Magnésio-Silício) são ligas com excelente
resistência a corrosão, ótima extrudabilidade, e resistência mecânica moderada. Devido a sua
ótima extrudabilidade, essa liga torna-se única quando é necessário obter formas
relativamente complexas, e irão sofrer grandes esforços trativos e compressivos, sendo
aplicados em componentes estruturais, onde rigidez é necessária. A liga 6063 é uma das mais
comuns, sendo usada desde componentes automotivos a peças estruturais de pontes. [8]
As ligas da série 7XXX (ligas Alumínio-Zinco) são ligas tratadas termicamente,
especialmente nas versões como Al-Zn-Mg-Cu, onde é possível obter as propriedades
mecânicas mais elevadas. É comumente usada em aeronaves, onde com um controle rígido de
impurezas, em especial o Ferro e o Silício, pode-se obter uma elevada resistência e tenacidade
a fratura. A liga 7077-T73 e 2014-T6 são ótimas escolhas para serem usados em tubos de
perfuração, onde são necessárias ligas leves e longas distâncias para poços profundos. As
ligas da série 7XXX não são tão resistentes a corrosão quanto as outras ligas, por isso as ligas
dessa série recebem tratamentos extras, como revestimentos e tratamentos térmicos para
melhorar sua resistência contra corrosão por esfoliação e corrosão sob tensão, como por
exemplo o tratamento térmico T73 (KUTZ, 2002).
As ligas da série 8XXX (ligas de Alumínio – outros elementos) são ligas tratadas
termicamente, com boas propriedades de condutividade, resistência, e, geralmente contém
elementos menos usados, como o Lítio, Ferro e Níquel. Um exemplo é a liga 8090, Alumínio-
Lítio, usada para aplicações aeroespaciais (KUTZ, 2002).
22
2.2 Metalurgia da série 7XXX
2.2.1 Solubilização
O metal é aquecido uniformemente até cerca de 500 ºC. A temperatura exata depende
de cada liga. Para a liga 7075T73, a solubilização ocorre a 465±5ºC especificamente. O
aquecimento ocasiona a dissolução dos elementos de liga na solução sólida (tratamento de
solução). O objetivo do tratamento de solubilização é colocar em solução sólida a maior
quantidade possível de átomos de soluto, como cobre, magnésio, silício ou zinco, na matriz
rica em alumínio. A tabela 1 mostra os valores de solubilidade máxima em alumínio.
Tabela 1. Solubilidade máxima dos principais elementos formadores de liga em alumínio (POLEMAR,
1996).
2.2.2 Têmpera
Dentre os diversos tipos de têmperas existentes para as ligas da série 7XXX, vale
destacar as têmperas T6 e T7, que são as têmperas mais pertinentes para a liga estudada.
As têmperas T6 e T7 são as têmperas produzidas através de precipitação por
tratamento térmico seguido de solubilização e quenching. As ligas no tratamento da T6
geralmente apresentam as maiores resistências mecânicas sem sacrificar os níveis e
características mínimas ditas como satisfatórios para aplicações em engenharia. As ligas na
23
têmpera T7 são superenvelhecidas, significando que, em algum grau, sua resistência foi
sacrificada em troca da melhoria de uma ou mais características, como por exemplo,
estabilidade dimensional, necessário para se trabalhar a elevadas temperaturas, ou abaixar as
tensões residuais para diminuir empenamento ou distorção durante a usinagem.
Dois grupos importantes da têmpera T7 são as têmperas T73 e T76. São têmperas
desenvolvidas para ligas forjadas da série 7XXX, as quais contêm mais de 1.25% de cobre.
Essas têmperas tem por objetivo melhorar a resistência a corrosão por esfoliação e corrosão
sob tensão, mas, como resultado do superenvelhecimento, eles também aumentam a
tenacidade a fratura e, sob algumas condições, reduzem a propagação de trincas por fadiga.
As têmperas do tipo T73 minimizaram a corrosão sob tensão de peças de grande porte
usinadas, que geralmente sofriam com esse tipo de corrosão na têmpera T6.
A produção das têmperas T73 e T76 consistem de ou um tratamento térmico de
precipitação em dois estágios isotérmicos, ou aquecimento numa taxa controlada de
temperatura até uma temperatura única (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
2.2.3 Endurecimento por precipitação – envelhecimento natural e artificial
O requerimento geral para o endurecimento por precipitação de soluções sólidas
supersaturadas envolve a formação de precipitados finamente dispersos durante o tratamento
térmico de envelhecimento, sendo este por sua vez natural ou atificial. O envelhecimento deve
ocorrer não somente abaixo da temperatura de equilíbro solvus, mas também abaixo do gap de
miscibilidade metaestável, chamada de linha solvus da zona de Guinier-Preston. A
supersaturação de vacâncias permite a difusão, formando a zona G.P., a qual ocorre muito
mais rápido que o esperado dos valores de coeficiente de difusão de equilíbrio. No processo
de precipitação, a solução sólida saturada desenvolve primeiramente aglomerados de solutos,
as quais então se envolvem na formação de precipitados transacionais.
O mecanismo de endurecimento de precipitados envolve a formação de aglomerados
coerentes de átomos de soluto. Isso causa grande pressão devido à incompatibilidade entre os
tamanhos dos átomos de solvente e soluto. Desta maneira, é obtida uma grande resistência
devido ao bloqueamento e retardamento do movimento de discordâncias. A característica que
determina se a fases é coerente ou não é a proximidade da combinação ou o grau de
imperfeição entre os espaçamentos da rede da matriz e o espaçamento no precipitado. Essas
mudanças nas propriedades resultam em domínios ricos em soluto, chamados de zonas de
Guinier-Preston (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
24
O envelhecimento natural pode oferecer o mesmo resultado que o envelhecimento
artificial, entretanto, os tempos necessários para se obter tais resultados para o endurecimento
faz com que o processo se torne impraticável.
No processo preliminar ou durante aquecimento lento, uma dispersão fina de alta de
densidade de zonas de Guinier-Preston é nucleada. O tempo e a temperatura da primeira parte
ou a taxa de aquecimento precisam ser controlados para produzir zonas de Guinier-Preston
que não se dissolverão, mas irão se transformar no precipitado η’ (precipitado coerente
MgZn2) quando aquecidos a uma temperatura de envelhecimento superior a 150ºC. A prática
que produz os resultados em menor tempo depende da temperatura solvus da zona de Guinier-
Preston. Nesta temperatura, por sua vez, depende também da concentração de vacâncias, que
é controlada pela temperatura de tratamento, taxa de resfriamento e composição. Se na
primeira parte, o tempo de envelhecimento é muito curto, se a temperatura é muito abaixo da
temperatura solvus da zona de Guinier-Preston, ou se as taxas de aquecimento são muito altas,
as zonas de Guinier-Preston irão se dissolver, então será formada uma dispersão grosseira e
largamente distribuída, resultando em uma menor resistência. Os tratamentos do tipo T76 têm
a mesma sequência operacional, porém empregam um segundo estágio de aquecimento,
apenas para desenvolver resistência a corrosão por esfoliação maior que a obtida no
tratamento T6. Também é obtida alta resistência à corrosão por esfoliação na têmpera T73. O
tratamento T7 é empregado para estabilização dimensional e das propriedades, fornece
adequada tolerância para variações normais encontradas em práticas operacionais. Por outro
lado, as têmperas T73, T736 e T76 influenciam na mudança de resistência que ocorre mais
rapidamente nas temperaturas empregadas no segundo estágio do ciclo das têmperas T7x,
comparadas com as mudanças que ocorrem nas temperaturas empregadas para produzir a
têmpera T6.
Consequentemente, controlar ambas as temperaturas e tempo para alcancar as
propriedades mecânicas e propriedades de corrosão espeficadas no tratamento T7 é mais
crítico do que no tratamento para produzir a têmpera T6. Além disso, a taxa de aquecimento
do primeiro para o segundo estágio de envelhecimento precisa ser considerada, pois a
precipitação ocorre durante esse período (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
25
2.3 Efeito dos elementos de liga nas ligas de alumínio
2.3.1 Cobre
A adição do cobre nas ligas da série 7XXX as faz melhorar sob o aspecto de
propriedades mecânicas através do mecanismo de endurecimento por precipitação,
conseguindo as maiores propriedades mecânicas numa faixa entre 4 e 6% de cobre nessas
ligas. Para as ligas Al-Zn-Mg, juntamente com o cobre, o tratamento T6 é o tratamento que
alcança o máximo de propriedades mecânicas dessas ligas. A distribuição do cobre na matriz
torna a liga mais propensa a corrosões localizadas - pites ocorrem nas regiões próximas aos
intermetálicos que possuem cobre ou ferro em sua composição; a corrosão intergranular
ocorre onde se acredita ter cobre precipitado nos contornos de grão. Intermetálicos de cobre
têm caráter catódico na liga com relação à matriz. Entretanto, as ligas dessa série nesse
tratamento tornam-se suscetíveis a corrosões localizadas dependendo do meio em que se
encontram. O enriquecimento do cobre nas ligas 7XXX também provoca a formação de
intermetálicos ricos em cobre, que ajudam a acelerar o processo de corrosão do material
(MENG e FRENKEL, 2004; DAVIS, ALLEN e LAMPMAN, 1995).
2.3.2 Magnésio
É o elemento de liga majoritário nas ligas 5XXX. Sua solubilidade máxima no
alumínio é de 17,4%, mas normalmente não excede a faixa dos 5,5%. O magnésio
preferencialmente precipita nos contornos de grãos como uma fase altamente anódica
(Mg5Al3 ou Mg5Al8), o que torna a liga susceptível a corrosão sob tensão e corrosão
intergranular. A adição desse elemento ao alumínio também provoca um aumento marcante
nas propriedades mecânicas sem que ocorra grande perda de ductilidade (DAVIS, ALLEN e
LAMPMAN, 1995).
2.3.3 Zinco
As ligas alumínio-zinco são conhecidas há muitos anos, mas sua fragilidade em usos
em altas termperaturas e a susceptilidade a corrosão sob tensão reduziram seu uso. Ligas
contendo alumínio-zinco com adição de outros elementos oferecem as melhores combinações
de resistência nas ligas de alumínio forjados (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
26
2.3.4 Zinco-Magnésio
A adição de magnésio a ligas alumínio-zinco faz com que a liga desenvolva um
potencial aumento de resistência, especialmente na faixa de 3 a 7,5% Zn. Magnésio e Zinco
formam MgZn2, que responde muito bem a tratamentos térmicos nessas ligas.
A adição de magnésio melhora substancialmente as propriedades mecânicas das ligas
alumínio zinco forjadas. Aumentando a concentração de MgZn2 de 0.5 até 12% com um
quench em água gelada faz a resistência a esforços mecânicos aumentar continuamente. No
entanto, a adição desses elementos de liga diminui de uma forma geral a resistência a corrosão
do aluminío, fazendo-se necessário o controle rigoroso da microestrutura, tratamento térmico
e composição, para manter a resistência a corrosão sob tensão e exfoliação de forma
adequada. Para tal controle, algumas técnicas podem ser utilizadas, como:
superenvelhecimento, controle da taxa de resfriamento após tratamento de solubilização,
manter a estrutura não recristalizada através do uso de zircônio, adições de cobre e cromo e
ajuste da relação zinco-magnésio para 3:1 (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
2.3.5 Zinco-Magnésio-Cobre
A adição de cobre ao sistema Al-Zn-Mg, juntamente com pequenas quantias de cromo
e manganês resulta nas ligas com melhores propriedades mecânicas disponíveis
comercialmente. Nesse sistema, o zinco e magnésio controlam o processo de envelhecimento.
O papel do cobre é aumentar a taxa de envelhecimento através do aumento do grau de
supersaturação e talvez através da nucleação da fase CuMgAl2. Cobre também aumenta a
sensitividade do quench sobre tratamento térmico. Em geral, o cobre diminui a resistência a
corrosão de forma geral nas ligas Al-Zn-Mg, mas aumenta a sua corrosão sob tensão. As
adicões menores, como cromo e zircônio tem efeito marcante nas propriedades mecânicas e
resistência à corrosão (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
2.3.6 Zircônio
Adições na faixa de 0,1 a 0,3% são usadas para formar um precipitado fino de
partículas intermetálicas que inibem a recuperação e a recristalização. O zircônio é
especialmente usado nas ligas da série 7XXX para aumentar a temperatura de recristalização e
controlar a estrutura de grãos dos produtos forjados. A adição de zircônio também faz com
27
que essas ligas tornem-se menos sensíveis ao quench (DAVIS, DAVIDSON e LAMPMAN,
1995).
2.3.7 Cromo
Ocorre como impureza no alumínio puro (5 a 50 ppm), e tem um efeito marcante sobre
a resistividade elétrica do material. Em ligas, como Al-Mg, Al-Mg-Si e Al-Mg-Zn, não
ultrapassa 0.35%.
O cromo possui uma baixa taxa de difusão, e forma fases dispersas finas nas ligas de
alumínio forjadas. Tal dispersão inibe a nucleação e o crescimento de grão, assim, o cromo é
utilizado como forma de controlar a estrutura granular, para prevenir o crescimento de grão
nas ligas Al-Mg, e a recristalização nas ligas Al-Mg-Si e Al-Mg-Zn durante trabalho a quente
ou tratamento térmico. A estrutura fibrosa desenvolvida reduz a corrosão sob tensão e/ou
aumenta a dureza da liga. Como em solução sólida e como uma fase dispersa também
aumenta um pouco a resistência mecânica da liga. Por outro lado, o cromo aumenta a
sensitividade ao quench, pois as fases endurecedoras tendem a precipitar nas fases com cromo
pre-existentes. O cromo concede a cor amarela ao filme anódico (DAVIS, DAVIDSON e
LAMPMAN, 1995).
2.3.8 Manganês
É uma impuzera comum no alumínio primário, e ocorre normalmente na faixa de 5 a 50
ppm. Diminui a resistividade de uma forma geral e aumenta a resistência do alumínio tanto
em solução sólida como em forma de uma fase intermetálica fina. Não tem efeito algum sob o
ponto de vista de corrosão. É usado para aumentar a resistência e também controlar a estrutura
de grão. Esse elemento também aumenta a temperatura de recristalização e promove a
formação de estruturas fibrosas em trabalhos a quente. Como precipitado disperso é efetivo na
prevenção de crescimento de grãos e diminuição da velocidade de recuperação (DAVIS,
DAVIDSON e LAMPMAN, 1995).
2.4 Microestrutura da liga 7XXX
As microestruturas das ligas Al-Zn (série 7xxxx) e, seus diversos tipos de têmperas, são
complexas e incorpora uma combinação de fases em equilíbrio e fases em não equilíbrio.
28
Estas ligas apresentam elevada relação resistência mecânica/massa, sendo que esta resistência
pode ser aumentada através de processos de endurecimento por precipitação obtido pela
adição de vários elementos como Cu, Zn e Mg , entretanto, apreciável e específica quantidade
de Fe, Si, Cr, Ti e Mn estão freqüentemente presentes como impurezas. A resistência
mecânica dessa liga é proveniente das fases η’ (precipitado coerente MgZn2).
A liga 7075, por sua vez, tem composição nominal, em %, Al-1.6Cu-2.5Mg-0.3Cr-
5.6Zn (MILLS, DAVIS e PESTEFANI, 1995).
Segundo MILLS, DAVIS e PESTEFANI (1995), a presença dos seguintes
intermetálicos é indicada na liga 7075, dependendo da têmpera e da composição precisa de
cada liga:
Lingote: (Fe,Cr)Al3, (Fe,Cr)3SiAl12, Mg2Si, Mg(Zn2AlCu),CrAll7.
Forjado: (Fe,Cr)3SiAl12, Cu2FeAl7, Mg2Si, CuMgAl2, Mg(Zn2AlCu), Cr2Mg3Al18.
Uma breve explanação sobre alguns dos intermetálicos encontrados nas ligas de
alumínio é dada a seguir. Essa é uma síntese feita de acordo com POLMEAR (2006) e
ROBERT, LIAO e GAO (1998):
I. Fase intermetálica Al3Fe: ferro e silício ocorrem como impurezas, e formam
compostos catódicos com respeito ao alumínio. A fase intermetálica Al3Fe
proporciona pontos onde a superfície do filme óxido é fraco, provocando ataque
químico. Esse intermetálico é conhecido como um indutor de corrosão por pites nas
ligas de alumínio.
II. Fase intermetálica Al3Ti: níquel e titânio também formam fases catódicas com o
alumínio. O titânio é comumente adicionado para atuar como um refinador de grão.
Entretanto as quantias de titânio adicionadas às ligas para obter o efeito de refino de
grão desejado é muito pequeno para se observar efeitos significativos relacionados a
corrosão (BIRBILIS e BUCHHEIT, 2005).
III. Fase intermetálica Al6Mn: essa fase intermetálica tem o mesmo potencial de eletrodo
que o alumínio, e esse composto é capaz de solubilizar o ferro o que reduz o efeito
danoso desse elemento na liga. Também é usado como refinador de grão e no controle
da recristalização.
29
IV. Fase intermetálica Mg5Al8: Magnésio em excesso em soluções sólidas binárias tende
a formar essa fase extremamente anódica, a qual se precipita nos contornos de grãos e
promove ataque intercristalino. Entretanto, na proporção 2:1 atômica com o silício
forma a fase Mg2Si, a qual possui potencial de eletrodo semelhante ao alumínio.
V. Fase intermetálica Al7Cu2Fe: segundo ANDREATTA, LOHRENGEL, TERRYN E
WIT (2003) é o intermetálico mais abundante encontrado na liga 7075. Pode ocorrer
transformação de fase ou mudar de morfologia durante a homogeinização do lingote,
mas essa fase é insolúvel durante o tratamento de solubilização e subsequentes
tratamentos térmicos de envelhecimento. É uma fase catódica com relação à matriz e
promove a dissolução da matriz.
VI. Fase intermetálica Al2Cu: pode ser encontrada na forma θ’ (tetragonal), de placas
semi-coerentes nas discordâncias. Pode ser também encontrada na forma θ (corpo
centrado), que é incoerente e pode nuclear na superfície da fase θ’. Essa fase também é
anódica em relação à matriz (ROBERT, LIAO e GAO, 1998; MAZURKIEWCIZ E
PIOTROWSKI, 1983). O valor do potencial de ruptura do aluminio (breakdown) é
menor que a da fase Al2Cu cerca de 0.200 V, o que acarreta na formação de células de
corrosão nas quais o alumínio ao redor dessa fase é um anodo ativo. A essa
considerável diferença nos potenciais do Al e do Al2Cu é atribuída à razão da
considerável corrosão galvânica que é observada nessas ligas.
VII. Fase intermetálica MgZn2: possui zonas de Guinier-Preston de dois tipos, esféricas
ordenadas, da ordem de 1-1.5nm, ou discos finos de Zn, parcialmente ordenada, de
espessura entre 1 e 2 átomos. A fase η’ é hexagonal e pode formar a partir de zonas de
Guinier-Preston onde a relação Zn:Mg é maior que 3:1. São semi-coerentes na forma
de discos achatados. A forma η hexagonal MgZn2 se forma sobre ou se forma a partir
da fase η’. Tanto a resistência à corrosão sob tensão da liga como suas propriedades
mecânicas elevadas é devida a ocorrência da fase η’ no interior do grão e da fase η
precipitados ao longo do contorno de grão. Segundo PARK e ARDELL (1983) e
DIXIT, MISHRA e SANKARAN (2008) a sequência de envelhecimento proposta é:
α → zonas G.P. → η’ → η
30
VIII. Fase intermetálica Mg32(Al,Zn)49 hexagonal: conhecida como fase T’, é um
precipitado semi-coerente que pode ser formado no lugar de η em ligas onde a relação
Mg:Zn é elevada.
IX. Fase intermetálica Mg32(Al,Zn)49 cúbica: conhecida também como fase T, pode ser
formada a partir da fase η se a temperatura de envelhecimento for maior que 190ºC, ou
ser formada a partir de T’ em ligas com alta relação Mg:Zn.
X. Fase intermetálica Al3Zr: Zircônio é utilizado no lugar do cromo e do manganês na
liga 7XXX no propósito de inibir a recristalização, assim é possível controlar o grau
de recristalização na liga e o tamanho dos grãos recristalizados. Essa opção é usada
devido à formação de pequenas partículas insolúveis de Al3Zr, ao passo que as
partículas de cromo e manganês formam fases com os principais elementos de liga
presentes para formar Al12Mg2Cr e Al20Cu2Mg3, retirando esses elementos da solução
sólida. Devido a essa ocorrência, o zircônio é o elemento que tem o menor efeito na
sensitividade da liga ao quench. Esse intermetálico atua como um dispersóide, que tem
baixa solubilidade no alumínio em todas as temperaturas. Um tratamento de
homogeinização a altas temperaturas (350~500ºC) por longos períodos (6~24h) ajuda
a precipitar essa fase (BIRBILIS e BUCHHEIT (2005); DIXIT, MISHRA e
SANKARAN (2008)).
XI. Fase intermetálica Al2CuMg: segundo BUCHHEIT, MONTES e MARTINEZ
(1999) e BUCHHEIT, MARTINEZ e MONTES (2000) também conhecida como fase
S, é polarizada anodicamente pela matriz α ao seu redor. Assim ocorre a possibilidade
de uma dissolução seletiva deixando para trás partes porosas ricas em cobre
remanescentes, provocando assim pitting secundário nos arredores dessas regiões.
Essa fase tem importante papel na redistribuição e enriquecimento do cobre na
dissolução na superfície das ligas Al-Cu-Mg. Alguns pesquisadores apontam
comportamento catódico após o enriquecimento de cobre ser o suficiente para reverter
o comportamento da microestrutura ao redor. A geração de íons de cobre ocorre tanto
no comportamento anódico quanto no catódico, sendo mais pronunciado durante o
comportamento anódico. Segundo FAN, JIANG, MENG e ZHONG (2006) durante o
processo de homogeinização é proposto o aparecimento dessa fase, a partir da
31
dissolução da fase Mg(Zn,Cu,Al)2, formação da fase e aumento do seu volume, e
posteriormente o engrossamento da fase e diminuição do seu volume.
2.5 Corrosão nas ligas de alumínio
As ligas de alumínio de uma forma geral são relativamente estáveis na maioria dos
ambientes devido à rápida formação do filme óxido de alumina sob a superfície. Além disso,
se a superfície do material sofrer algum tipo de lesão, uma nova camada se formará
rapidamente na maioria dos ambientes expostos (BIRBILIS e BUCHHEIT, 2005;
POLMEAR, 2006).
Como uma regra geral, o filme de óxido formado é estável em soluções aquosas que
tem o pH na faixa de 4,5-8,5. Sendo assim esse óxido é solúvel em ácidos ou álcalis fortes, o
que leva ao rápido ataque do alumínio. Exceções à regra são o ácido nítrico, o ácido acético
glacial e o hidróxido de amônio.
Produtos químicos conhecidos como “inibidores” podem ser adicionados a meios
líquidos corrosivos a fim de minimizar ou prevenir a corrosão no alumínio e nas suas ligas.
Inibidores podem ser classificados como anódicos, catódicos ou mistos, dependendo de qual
processo, anódico ou catódico, o inibidor irá afetar.
Os inibidores anódicos não oxidantes diminuem a velocidade do processo anódico
geralmente através de depósitos insolúveis nos sítios anódicos. Estas substâncias são
hidroxilas, silicatos, boratos, fosfatos. Geralmente isso não acarreta em mudanças na
aparência da superfície do produto. Inbidores anódicos oxidantes como os cromatos e nitritos
são utilizados extensivamente para promover a passivação do metal. Entretanto, se a
quantidade de inibidores anódicos não oxidantes for insuficiente, pode ter regiões anódicas
ainda ativas e tal situação leva a corrosão localizada (pitting). No caso dos inibidores anódicos
oxidantes, quantidade insuficiente pode levar ao aumento da corrosão generalizada.
Os inibidores catódicos asfixiam a reação catódica através de depósitos insolúveis nos
sítios catódicos, da restrição do acesso do oxigênio ou através do “envenamento” de locais
favoráveis ao desprendimento catódico do hidrogênio. Normalmente são menos eficientes que
os inibidores anódicos. Exemplos de inibidores catódicos são carbonatos, sais metálicos,
hidrazina, sulfitos e óxido de arsênio (POLMEAR, 2006).
A seguir, de acordo com POLMEAR (2006) alguns tipos de corrosão nas ligas de
alumínio são descritos:
32
2.5.1 Corrosão em frestas
Se um eletrólito penetrar em uma fresta entre duas superfícies de alumínio em contato,
ou entre uma superfície de alumínio e uma superfície não-metálica corrosão localizada por
frestas pode ocorrer. O conteúdo de oxigênio do líquido na fresta é consumido pela reação de
redução, e, a continuidade da reação é inibida caso a difusão do oxigênio para a fresta seja
baixa. Caso ocorra, uma celúla eletrolítica será formada, e as regiões escassas em oxigênio se
tornarão o ânodo. Uma vez que é iniciado o processo de corrosão em fresta, a área anódica
torna-se acidificada e a área catódica maior (parte externa à fresta) torna-se alcalina. O baixo
pH na fresta aumenta a ação local da célula e uma maior corrosão irá ocorrer.
2.5.2 Corrosão por cavitação
Filmes protetivos sobre a superfície do alumínio e suas ligas podem ser removidos de
diversas maneiras, como por exemplo, ações mecânicas ou efeitos de movimento turbulento
de fluidos. Se bolhas de gás se formarem devido a movimentação turbulenta do líquido, a
corrosão por cavitação pode ocorrer. O colapso dessas bolhas sobre a superfície do metal
libera um calor de vaporização latente, que pode deteriorar a camada protetiva, gerando pilha
local ativo/passiva. Assim a corrosão por cavitação combina efeitos eletroquímicos com
danos mecânicos. Logo, esse tipo de corrosão é controlado pela severidade da turbulência
com a agressividade do ambiente.
2.5.3 Corrosão na linha da água (“Waterline corrosion”)
Esse tipo de corrosão afeta estruturas semi-submersas, como navios, onde as zonas
próximas a linha da atmosfera e da água sofre um diferencial de corrosão que às vezes pode
ser severo. Em ligas de alumínio esse tipo de corrosão pode aparecer devido à diferença da
concentração de cloreto entre a água do mar na linha do ar/água e aquela contida no menisco
formada pela ação da capilaridade, na qual os cloretos tornam-se concentrados por
evaporação. Esse efeito é menos pronunciado em águas em movimento, pois assim a água do
menisco é sempre renovada. Devido a esse tipo de corrosão, é necessário pintar os cascos dos
navios para evitar o risco desse tipo de ataque. Em casos onde a água é estagnada, pintura
torna-se essencial.
A seguir são descritos outros tipos comuns de corrosão:
33
2.5.4 Corrosão uniforme
Corrosão que se processa em toda extensão da superfície, ocorrendo perda uniforme de
espessura. É também definido como o afinamento do material sem qualquer ataque
localizado, não penetrando profundamente dentro do material. O caso mais comum desse tipo
de corrosão é uma barra de aço exposto ao ar (GENTIL, 2007; AHMAD, 2006).
2.5.5 Corrosão puntiforme (pites)
Corrosão que se processa em pontos ou em pequenas áreas localizadas na superfície
metálica que corroem preferencialmente. Esse tipo de corrosão se apresenta na forma de
cavidades com o fundo em forma angulosa e profundidade geralmente maior que seu
diâmetro, enquanto a maior parte da superfície permanece inalterada (GENTIL, 2007;
AHMAD, 2006).
Metais que formam filmes passivadores são mais susceptíveis a esse tipo de corrosão.
É a forma de corrosão mais pérfida, pois causa falha pela penetração com apenas uma
pequena porcentagem de perda de peso de uma estrututa. É o tipo mais recorrente de corrosão
em indústrias químicas, e seu efeito destrutivo é tamanho que geralmente é necessário trocar o
sistema inteiro devido a esse tipo de corrosão (AHMAD, 2006).
2.5.6 Corrosão intergranular
Corrosão que se processa entre os grãos da rede cristalina de um metal ou liga em um
meio corrosivo, perdendo assim sua resistência mecânica e ductilidade podendo dessa forma
fraturar quando solicitado mecanicamente, acontecendo assim a chamada corrosão sob tensão
fraturante (Stress corrosion cracking – SCC) (GENTIL, 2007). A corrosão intergranular é
associada a pilhas locais entre contornos de grãos e seio dos grãos devido à diferença de
composição, geralmente gerada durante o processamento metalúrgico.
Esse tipo de ataque localizado pode desalojar o grão, e vai se propagando para dentro
do material através dos contornos, causando perda maior de resistência, e, tendo no final o
mesmo efeito de destruição que a corrosão uniforme. A corrosão sob tensão fraturante ocorre
quando o material é estressado continuamente, ou de forma cíclica (corrosão sob fadiga),
produzindo assim rachaduras nos caminhos intergranulares. Geralmente esse tipo de corrosão
é mais perigoso que a corrosão intergranular.
34
É importante saber que existe uma diferença entre a corrosão intergranular e a
corrosão sob tensão fraturante, pois certos materiais podem ser susceptíveis a um tipo de
corrosão, mas não ao outro. (AHMAD, 2006).
2.5.7 Corrosão sob tensão fraturante
É um tipo de corrosão que ocorre em ligas consideradas dúcteis, mas que leva o
material a uma falha frágil. Ocorre quando esses materiais são expostos a ações de tensões de
trações e a um ambiente corrosivo.
Apenas ligas de alumínio com quantidades apreciáveis de solutos presentes são
susceptíveis a esse tipo de corrosão, como ligas da série 2XXX, 5XXX e 7XXX. Quando a
falha acontece, é geralmente intergranular, e envolve a presença de um constituinte anódico
ativo no contorno de grão. Essas ligas são susceptíveis especialmente a esse tipo de corrosão
quando estão no estado recristalizado, por esse motivo são controlados a composição, a forma
de trabalho e o tratamento térmico para que não ocorra a recristalização nessas ligas forjadas.
Tensões residuais são induzidas no alumínio quando ela é solubilizada e resfriada
rapidamente (“quench”), fazendo com que a superfície do material tenha trações
compressivas, e em seu centro trações trativas. Caso as operações subsequentes não pertubem
as trações compressivas no material, ocorrerá um aumento na resistência à corrosão sob
tensão fraturante, pois uma tensão trativa é necessária para iniciar e propagar uma trinca, e
assim promover esse tipo de corrosão. Por outro lado, caso alguma operação retire essa
camada superficial compressiva, como por exemplo uma operação de usinagem, a tensão
residual trativa que se encontra no centro do material se soma as trações trativas impostas em
serviço, e assim ocorre um aumento na probabilidde de ocorrência da corrosão sob tensão
fraturante.
Em ligas endurecidas por precipitação e envelhecidas a altas temperaturas, a relação
entre corrosão sob tensão fraturante e resistência mecânica tem uma relação inversa de uma
forma geral – a resistência à corrosão sob tensão fraturante é significantemente maior em
situações de baixa resistência mecânica, sob e pós envelhecida. Também tende a aumentar
quando a temperatura de envelhecimento é mais alta (BIRBILIS e BUCHHEIT, 2005;
POLMEAR, 2006). Esse cenário é ilustrado na figura 1.
35
2.5.8 Corrosão transgranular
É o tipo de corrosão que se processa através do interior dos grãos da rede cristalina do
material metálico, perdendo assim suas propriedades mecânicas, podendo sofrer assim a
corrosão sob tensão fraturante. Ocorre mais comumente em ambientes concentrados em
cloretos (GENTIL, 2007; AHMAD, 2006).
Figura 1. Relação geral entre a resistência sob tensão fraturante e resistência mecânica durante o
envelhecimento de ligas de alumínio em temperaturas elevadas
2.5.9 Corrosão filiforme
Corrosão que se processa sob a forma de finos filamentos, mas não profundos, que se
propaga em diferentes direções, se repelindo devido a um efeito repulsivo (devido a carga
positiva do produto da corrosão). Ocorre em superfícies metálicas revestidas com tintas ou
metais, ocasionando o descolamento do revestimento. Algumas condições comuns para
ocorrer esse tipo de corrosão são: alta humidade do ambiente, suficiente permeabilidade da
água ao filme, estimulação por impurezas, e a presença de defeitos no filme (danos
mecânicos, poros, bolhas de ar, cristais de sal, etc) (GENTIL, 2007; SCHWEITZER, 2004).
2.5.10 Esfoliação
Corrosão que se processa de forma paralela à superfície metálica. Ocorre em chapas
ou componentes extrudados que tiveram seus grãos achatados ou alongados. Assim, pode-se
alcançar uma situação onde ocorrem inclusões ou segregações, e, quando o processo de
corrosão se inicia, o ataque pode alcançar essas inclusões ou segregações e a corrosão irá se
processar através de planos paralelos à superfície, mais frequentemente em frestas.
36
O produto de corrosão, por sua vez, faz com que camadas se separem devido ao seu
grande volume, entre as regiões que sofrem ação corrosiva, e, consequentemente, ocorre a
degradação do material, deixando a forma de placas paralelas à superfície. Esse tipo de
corrosão é visto mais comumente em ligas das séries 2XXX, 5XXX e 7XXX (GENTIL,
2006).
2.5.11 Corrosão seletiva
Quando um elemento é removido preferencialmente de uma liga por um processo
corrosivo, esse processo é conhecido como lixiviação seletiva ou corrosão seletiva.
Geralmente a peça corroída se mantem no mesmo formato original, podendo aparentar não
estar danificado, exceto por certo manchamento ou embaçamento da superfície. Entretanto,
sua resistência à tração e particularmente sua ductilidade são reduzidas seriamente
(SCHWEITZER, 2004).
2.6 Influência de parâmetros do ambiente na corrosão de ligas de alumínio em meios
aquosos
O relato a seguir é uma síntese feita de acordo com VARGEL (2004):
I. Influência da concentração de cloreto: os cloretos são tidos como os ánions que tem
o maior poder de penetração no filme óxido do alumínio, sendo aceito este conceito
desde 1930. Esse fato é atribuído aos cloretos serem muito pequenos e altamente
móveis. Juntamente aos cloretos, têm-se os fluoretos, brometos e os iodetos que
pertencem aos ânions que ativam a corrosão do alumínio na água. Por outro lado,
temos os sulfatos, nitratos e fosfatos que dificilmente ativam a corrosão nesse
material.
Cloretos podem substituir o oxigênio na rede, levando a diminuição na
resistividade do filme óxido, assim, é facilitado o desprendimento de átomos de
alumínio que acabam difundindo para a água. A agressividade desses ânions com
relação ao alumínio depende da sua concentração no meio, geralmente maior a
concentração do ânion, maior a intensidade da corrosão localizada. A ação dos
cloretos independe também da ação de cátions associados.
37
II. Influência da concentração de sulfato: na água, os sulfatos são associados com o
cálcio, magnésio e sódio. Sendo mais volumoso e menos móvel que os cloretos,
penetram mais dificilmente na camada do filme óxido do alumínio. Entretanto,
enquanto é dito que os sulfatos não influenciam no aumento da densidade de pites,
acredita-se que esses ânions conduzem ao aumento da profundidade dos pites.
III. Influência da concentração de cálcio: cálcio é associado na água com seus
carbonatos, e mais raramente com sulfatos. Cálcio não tem influência na resistência à
corrosão do alumínio na água, mesmo com altas concentrações de carbonato de cálcio.
IV. Influência da concentração de carbonatos: as chamadas “água-dura” não são mais
agressivas ao alumínio e suas ligas que águas que contem uma baixa concentração de
carbonatos e bicarbonatos. Na realidade, pode-se perceber um leve aumento na
inibição da corrosão, devido aos filmes de carbonatos que se formam sobre o metal
logo quando a temperatura aumenta.
V. Influência da temperatura: a temperatura tem uma influência muito grande na
resistência à corrosão do alumínio em água de qualquer natureza. Diferentes formas de
corrosão podem ocorrer num mesmo meio aquoso, apenas variando-se a temperatura.
Nos filmes óxidos naturais, temos os seguintes tipos de camadas: uma camada
interna, normalmente amorfa, que fica em contato com o metal. Existe também uma
camada externa que até 70ºC é composta basicamente de bayerita (Al2O3.3H2O).
Acima de 70ºC, é formada a boehmita (Al2O3.H2O). Ambas as camadas são protetivas.
A espessura dessa camada externa pode atingir 1 micrômetro.
A tabela 2 mostra os diferentes tipos de corrosão conforme a temperatura do
meio aquoso (água doce, destilada ou água do mar) aumenta.
Tabela 2. Temperatura e formas de corrosão
Intervalo de temperatura Formas de corrosão
< 100 ºC Corrosão por pites (em água doce, a tendência a
corrosão por pites cai acima de 60 - 70 ºC
100 - 150 ºC Corrosão generalizada
150 - 250 ºC Corrosão generalizada e corrosão intercristalina
> 250 ºC Corrosão intercristalina com destruição do metal
38
VI. Influência do pH: a estabilidade do filme óxido de alumínio depende do pH.
Normalmente, o filme óxido tem estabilidade numa faixa de pH de 4,5-8,5. Essa faixa
é a faixa em que as águas naturais se encontram normalmente, dessa forma,
geralmente esse fator não influencia na corrosão em meios aquosos naturais (água
tratada, destilada e água do mar).
2.7 Tratamentos de superfície nas ligas de alumínio
Segundo VARGEL (2004), o alumínio por si só tem boa resistência à corrosão, então
por que se deve protegê-lo contra corrosão? A resposta está no tipo de liga, sua aplicação e
uso, assim como o ambiente em que se encontra. É conhecido que as ligas da série 2XXX e
7XXX (ligas que contém cobre em sua composição) não são suficientemente resistentes à
corrosão para serem usados em ambientes úmidos e em meios mais agressivos como
ambientes marítimos. Por outro lado, ligas da série 1XXX, 3XXX e especialmente ligas da
série 5XXX, como também as ligas da série 6XXX tem uma ótima resistência à corrosão e
podem ser utilizados em muitos ambientes, como por exemplo, em ambientes marítimos.
Uma das principais razões para se proteger a superfície do alumínio é para se manter o
bom aspecto da superfície e prevenir a corrosão por pites. Para prevenção da corrosão,
existem alguns métodos, como por exemplo:
Modificar as propriedades da superfície através da aplicação de revestimentos de
bohemita, revestimentos do tipo por conversão química, anodização ou cladeamento;
Proteção contra o ambiente através de um revestimento contínuo, por exemplo o uso
de tintas ou laquê;
Modificar as propriedades do meio através de inibidores;
A seguir são descritos alguns dos processos de proteção da superfície do alumínio:
2.7.1 Tratamento químico de conversão
Trata-se da formação de uma camada fina de um óxido complexo, sendo formado em
banhos acidificados, fosfatados alcalinamente ou em banhos de cromatos. São geralmente
usados para formar uma base para pinturas, laquês ou adesivos. Esse tipo de tratamento
aumenta levemente a resistência à corrosão. Estes são: tratamentos de cromato e tratamentos
de cromato-fosfato.
39
2.7.2 Tratamento de cromato
Consiste no tratamento de alumínio em uma solução de carbonato de potássio,
bicarbonato de sódio e dicromato de potássio por 2 horas a 90ºC. Uma camada cinza escura se
forma sobre o alumínio. É pouco usada hoje em dia, devido à descoberta de novos métodos de
proteção mais rápidos e eficientes.
2.7.3 Tratamento de cromato-fosfato
Dentro desse tipo de tratamento pode ser distinguido o tratamento baseado em fosfatos
de cromo trivalente, o que dá à camada uma cor esmeralda verde escura. O banho tem em sua
composição anidrido de cromo, ácido fosfórico e ácido sulfúrico, e este tratamento é
amplamente utilizado em peças de aplicação em construções. Essa camada possui excelente
resistência à corrosão, juntamente com boa aderência aos laquês.
2.7.4 Tratamento baseado em cromato de cromo
A coloração da camada depende de sua espessura, variando de um certo tom de
amarelo até um marrom escuro. O banho contém ácido crômico, ácido hidrofluorídrico, e
possivelmente ferrocianeto de potássio. Devido a sua boa resistência à corrosão sem pintura é
largamente utilizado na indústria aeroespacial.
2.7.5 Anodização
A idéia da anodização é fazer crescer camadas de óxido sobre a superfície de um
metal, sendo que essas camadas possuem estrutura e propriedades que diferem dos óxidos
naturais na superfície do material que se quer proteger. Para o alumínio existem anodizações
específicas, a anodização sulfúrica e a anodização crômica. A anodização sulfúrica é utilizada
principalmente para proteger contra a corrosão ao ambiente atmosférico e aumentar a
durabilidade da aparência superficial dos componentes. A anodização crômica é utilizada
amplamente em ligas da série 2XXX e 7XXX. A seguir alguns tipos de anodização são
descritos:
I. Anodização sulfúrica: é o processo mais comum de anodização, sendo usado para
propósitos decorativos, para revestimentos duros, proteção contra intemperismo. A
40
composição do banho e seus parâmetros de processos definem a estrutura final da
camada de anodização, e para qual aplicação é indicada. A estrutura do revestimento
consiste de células hexagonais com microporos nos centros das células (Figura 2). O
diâmetro da célula depende da voltagem na eletrólise, enquanto o diâmetro dos poros
depende dos ânions do eletrólito. Essas camadas não são formadas diretamente sobre o
metal, mas sobre uma camada barreira. Os poros são os responsáveis pela coloração
nesse revestimento, através da coloração por adsorção, feita pela imersão em um
banho especial, ou por tratamentos eletrolíticos de coloração, sendo obtidos através de
corrente alternada diretamente depois da anodização. Sendo o revestimento colorido
ou não, para se obter boa resistência contra o intemperismo, é necessário que o
revestimento seja selado em água fervente desmineralizada. O tempo para selamento
da camada é o mesmo utilizado no processo de anodização. Para as ligas da série
2XXX e 7XXX em particular ao banho de selamento pode-se adicionar também
dicromato de potássio, o que aumenta a resistência à corrosão devido ao
intemperismo, e concede a peças uma coloração levemente amarela esverdeada.
II. Anodização crômica: é largamente utilizada em ligas da série 2XXX e 7XXX para
aumentar a resistência à corrosão em serviço. Sua camada é normalmente cinza,
podendo assumir cores mais claras dependendo da liga. Tem uma boa aderência a
tintas e adesivos. Algumas vantagens desse tipo de tratamento são a sua baixa
agressividade com relação ao alumínio, sendo possível utilizar em qualquer tipo de
design em que as lavagens são dificultadas; esse tipo de revestimento é possível se
controlar espessura da camada com grande precisão; Desses revestimentos, é o que
causa a menor redução na resistência à fadiga do material (DAVIS, 2001).
41
Figura 2. Representação esquemática da camada de anodização sulfúrica (VARGEL, 2004)
2.8 Designs de experimentos exploratórios
O design exploratório é uma técnica normalmente empregada em estágios iniciais de
estudos, quando não se sabe exatamente quais as variáveis envolvidas no processo são de real
importância. Nesse caso, o experimentador precisa considerar muitas variáveis no estudo, o
que gera uma quantidade grande de experimentos.
Uma maneira de manter o número de experimentos a uma quantidade razoável é
determinar para cada fator a ser estudado dois níveis apenas, “baixo” ou “alto” (usualmente
denotados por “-” e “+”). Assim um DOE fatorial de quatro fatores usando dois níveis
resultaria em 24 = 16 experimentos, enquanto utilizando 3 níveis teríamos um total de 3
4 = 81
experimentos.
Ainda usando apenas dois níveis para estudar o efeito dos fatores, dependendo da
quantidade de variáveis considerada, realizar esses experimentos pode se tornar proibitivo.
Nesses casos ainda é possível fazer uma seleção cuidadosa, uma fração de experimentos que
resultam em respostas com pouca ou nenhuma perda de informação sobre os principais fatores
e interações de baixa ordem. Esse caso é chamado de fatorial fracionado, e através dele pode-
se estudar um número elevado de variáveis com uma quantidade muito baixa de
experimentos. (KURTNER, NACHTSHEIM e NETER, 2005)
A seguir, a explicação sobre experimentos exploratórios fatoriais do tipo 2k e fatoriais
fracionados é uma síntese feita de acordo com MONTGOMERY (2009).
42
2.8.1 Experimentos fatoriais tipo 2k
De forma geral, experimentos fatoriais são os mais efetivos quando se tem que estudar
dois ou mais fatores. Experimento fatorial significa que cada conjunto de experimentos
investiga todas as possíveis combinações de níveis entre os fatores em estudo. O efeito do
fator é definido como sendo a mudança na variável resposta em resposta a uma variação de
nível do fator. Esse efeito é normalmente chamado de efeito principal, pois se refere aos
fatores primários de interesse no experimento. Efeitos de interação são definidos como sendo
a diferença média na variável resposta quando um fator em um nível, e o outro fator em no
outro nível são alterados. Experimentos do tipo 22 podem ser geometricamente representados
por um quadrado, e experimentos do tipo 23 podem ser representados por um cubo. Devido a
esse tipo de representação, os fatoriais do tipo 2k são descritos como designs ortogonais. O
design fatorial 2k é aquele que inclui em suas avaliações os efeitos principais dos k fatores, os
efeitos das interações de 2 fatores, de 3 fatores, e assim por diante, até um fator de k
interação. Esse modelo completo pode ter 2k – 1
efeitos para um design 2k. Normalmente,
softwares são utilizados para analisar esse processo.
2.8.2 Experimentos fatoriais do tipo 2k-p
Experimentos do tipo 2k são experimentos que crescem rapidamente conforme a
quantidade de fatores cresce, fazendo com que a quantidade de recursos para realizar
experimentos se acabe rapidamente. Existem casos em que o experimentador pode assumir
que interações de três variáveis ou maiores não são interessantes e estas podem ser
negligenciadas, e, devido a isso, ele pode usar apenas uma fração de experimentos, a fim de
avaliar os efeitos principais e os efeitos de baixa ordem (interações entre dois fatores). A essa
fração de experimentos chamamos de design fatorial fracionado, e é o tipo de design mais
utilizado para melhorias de processos, pois é possível analisar uma grande quantidade de
fatores com um número de experimentos reduzido. Um dos usos majoritários desse tipo de
abordagem está em experimentos que contém muitos fatores, e o objetivo é identificar quais
fatores exibem um grande efeito sobre a variável resposta. Os fatores identificados nessa
etapa são estudados cuidadosamente em etapas subsequentes.
Para um estudo bem-sucedido dos designs fatoriais fracionados, três idéias chaves são
usadas como base:
43
Princípio dos efeitos de dispersão (The sparsity of effects principle): quando
existem muitas variáveis, o sistema ou processo normalmente é primariamente
comandado por alguns efeitos principais e interações de baixa ordem.
Propriedade de projeção: designs fatoriais fracionados podem ser projetados em
designs maiores no subconjunto de significantes fatores.
Experimentação sequencial: é possível combinar sequências de dois ou mais
fatoriais fracionados para reunir sequencialmente um design maior para estimar os
efeitos de fatores e interações de interesse.
2.8.3 Experimentos fatoriais do tipo 2k-1
(meia-fração)
A seguir, o exemplo usado é retirado do livro do MONTGOMERY (2009).
Suponhamos que houvesse a necessidade de testarmos 3 fatores, A, B e C de interesse.
Um fatorial completo nos retornaria um total de 23 = 8 experimentos. Entretanto, é possível
somente realizar 4 experimentos, o que sugere o uso do fatorial fracionado do tipo 23-1
, de
modo a ser trabalhado apenas com a metade do total de experimentos. A tabela do fatorial
completo é mostrada na Tabela 3.
Tabela 3. Tabela fatorial completo do tipo 2k para 3 fatores
Treatment
Combination
Factorial Effect
I A B C AB AC BC ABC
a + + - - - - + +
b + - + - - + - +
c + - - + + - - +
abc + + + + + + + +
abc + + + - + - - -
ac + + - + - + - -
bc + - + + - - + -
(1) + - - - + + + -
Os quatro primeiros experimentos, a, b, c e abc serão os nossos experimentos para o
fatorial fracionado. Note que é escolhido os experimentos onde o efeito ABC está no nível
mais alto. Assim, chamamos ABC de geradora desse experimento em particular. Além disso,
a coluna I é sempre no nível mais alto, assim:
I = ABC
sendo essa a relação de definição para esse design. De maneira geral, a relação de definição
para um fatorial fracionado será sempre um conjunto de todas as colunas que são iguais à
coluna de identidade I.
44
É notada uma relação quando estimamos o efeito dos fatores principais A, B e C e das
interações entre os fatores, BC, AC e AB. A relação é de que [A] = [BC], [B] = [AC] e [C] =
[AB]; consequentemente é impossível de diferenciar os efeitos entre A e BC, B e AC e C com
AB. Na realidade, então, a estimativa do efeito de [A] torna-se na realidade [A] + [BC], [B]
torna-se [B]+[AC], e [C] torna-se [C]+[AB]. Fatores com essa propriedades são chamadas de
pseudônimas. Pode-se determinar essa estrutura multiplicando o fator pela matriz identidade I
= ABC. Assim temos:
A • I = A • ABC = A2BC = I • BC = BC, ou seja, A = BC
O mesmo acontece para os fatores B e C. Usando a fração com I = +ABC, temos a
chamada fração principal. Caso tomemos a fração I = - ABC, temos a chamada fração
alternativa. Na prática, não fará diferença qual das duas frações for usada, pois pertence à
mesma família.
Para resolver esse design é empregada a chamada resolução III, na qual os efeitos
principais não são pseudônimos dos outros fatores principais, mas os efeitos principais são
pseudônimos com os fatores de baixa ordem. Já a resolução de designs tipo IV são utilizados
quando os fatores principais não são pseudônimos com outros fatores principais, ou com
qualquer fator de segunda ordem. Entretanto, os fatores de segunda ordem são pseudônimos
entre si. A resolução de design tipo V é empregada quando não ocorrem pseudônimos entre os
fatores principais ou fatores de segunda ordem, mas ocorre entre fatores de segunda interação
e fatores de terceira interação.
2.8.4 Fatorial Fracionado um-quarto – 2k-2
É usado quando uma quantidade relativamente grande de fatores precisa ser estudada.
Esse tipo de fatorial pode ser construído a partir do fatorial completo, e associando duas
colunas que condizem com as interações pertinentes ao fatorial k-2. Esse tipo de fatorial
fracionado possui duas relações geradoras, e, através dos sinais das relações geradores, é
possível determinar qual das quatro frações será produzida. Todas as possíveis associações
pertencem à mesma família, e, quando as duas relações geradoras são positivas, o design é a
fração principal.
Se, as duas relações geradoras são as frações P e Q, a relação de definição devem ser
iguais à coluna identidade I, sendo também igual à relação generalizada PQ, assim, a relação
que define é:
I = P = Q = PQ
45
Assim, cada efeito calculado terá três pseudônimos, e, faz-se necessário um uso
cuidadoso desses elementos para escolher quais elementos são importantes para o estudo e
não devem ter seus efeitos somados aos efeitos de interação.
Como exemplo mostrado na referência, tomemos como exemplo o fatorial fracionado
26-2
e, digamos que I = ABCE e I = BCDF, assim, a definição de relação completa seria:
I = ABCE = BCDF = ADEF
ou seja, temos um design de resolução tipo IV. Para o cálculo dos pseudônimos, multiplica-se
o efeito por cada uma dessas definições. Assim, para o efeito do fator A, tem-se:
A = BCE = ABCDF = DEF, visto que A•A=I
Vemos que o efeito do fator A é na realidade misturado com efeitos de terceira e
quinta ordem. Os fatores de segunda ordem são misturados com outros fatores de segunda
ordem e de ordens maiores. Assim, estimar o efeito do fator A, é na realidade estimar o efeito
de A + BCE + ABCDF + DEF. Caso as interações de terceira ou maiores ordens sejam
negligenciáveis (o que acontece na maioria dos casos, segundo o princípio da esparsidade de
efeitos), o cálculo do efeito de A passa a ser uma estimativa verdadeira.
2.9 Descrição dos processos de fabricação de peças para a indústria aeronáutica
2.9.1 Usinagem
É considerado o processo de dar forma ao metal mais difundido na indústria de
manufatura mecânica. Trata-se simplesmente da remoção de material, normalmente com o
auxílio de algum tipo de ferramenta de corte, e na maioria dos casos, com o auxílio de algum
tipo de força (mecânica, elétrica, etc.) (COBB, 2012). No processo de fabricação de peças
para uso aeronáutico são utilizados normalmente controles numéricos computadorizados –
CNCs – máquinas de usinagem automáticas de alto desempenho com grande acurácia nas
dimensões, requisitos esses necessários para atender esse setor. O torno CNC é utilizado
normalmente para a confecção de peças com formatos cilíndricos. Também são utilizados
para confecção dessas peças os chamados centros de usinagem. Os centros de usinagem são
máquinas também computadorizadas (com ganhos semelhantes ao torno CNC em termos de
46
dimensões e desempenho) e são utilizadas para peças que têm formatos diversos, os quais
muitas vezes o torno CNC por si só não consegue confeccionar tais geometrias.
No setor de usinagem do processo global em estudo, os fatores comuns que são
controlados para se obter uma peça dentro dos padrões necessários em termos de corrosão
estão o pH do fluido em contato com a peça durante o processo de usinagem, a concentração
dos fluidos (corte e refrigerante), cloreto, nitrito, dureza da água, e ensaios microbiológicos.
2.9.2 Ajustagem
Após a etapa de usinagem são realizados alguns trabalhos finais, como rebarbação,
ajustes mecânicos, polimento, gravações, etc. Esses trabalhos são feitos para obter peças
melhor acabadas e identificadas, deixando-as prontas para o manuseio no momento da
montagem. As peças são produzidas e inspecionadas pelos operadores utilizando o conceito
de autocontrole. Para a realização destas operações é necessário realizar a limpeza superficial
das peças com a utilização de solventes, visto que elas são oleadas após a etapa da usinagem.
2.9.3 Inspeção de produção
O objetivo desta etapa do processo é avaliar a conformidade da documentação de
produção e inspeção visual em 100% das peças de modo a confirmar a eficiência do
autocontrole realizado pelas áreas produtivas.
2.9.4 Ensaios não destrutivos – líquido penetrante
O ensaio de líquido penetrante consiste em detectar se existem defeitos na superfície
da peça que tem uma abertura capilar. O teste é feito da seguinte forma (Figura 3):
primeiramente verifica-se se a peça está devidamente limpa. Então é aplicado sobre a peça um
líquido específico que é colorido ou fluorescente, e deixa-se encharcado com esse líquido por
certo tempo (20-30 minutos) para permitir que o líquido penetre em possíveis rachaduras e
cavidades na peça. Após esse tempo, retira-se o excesso da superfície, ficando somente o
líquido penetrante nas rachaduras. Em seguida, aplica-se uma substância reveladora, e, em
uma câmara escura, com uma lâmpada UV é possível ver se existem rachaduras na superfície
da peça. Penetrantes fluorescentes são usados apenas em situações onde existe sensitividade
máxima a falhas, caso que ocorre nesse estudo (ROBERGE, 2007).
47
Figura 3. Descrição dos estágios básicos da inspeção do tipo líquido-penetrante. (a) amostra antes do teste; (b)
aplicação do líquido penetrante; (c) excesso retirado, deixando apenas o líquido penetrante na fenda; (d)
aplicação pó-revelador, e; (e) inspeção visual através da indicação de cores sob luz UV (fluorescência)
2.9.5 Tratamentos de superfície – Anodização crômica e sulfúrica
Os tratamentos de superfície realizados pela empresa são: anodização crômica,
anodização sulfúrica, anodização dura e cromatização. As peças passam por uma ou pela
combinação dessas etapas.
As peças que sofrem anodização dura apresentam uma camada de elevada resistência
ao desgaste e à corrosão, mas baixa resistência à fadiga e são eletricamente isolantes.
As peças anodizadas são seladas para hidratação e fechamento dos poros, o que
aumenta a resistência à corrosão.
As peças que passam pela etapa de cromatização química (com Alodine) apresentam
uma camada protetora de elevada condutibilidade, baixa resistência ao atrito e resistência a
fluidos hidráulicos e lubrificantes comuns.
2.9.6 Montagem
Etapa onde componentes extras são montados para serem entregues, como proteções
de roscas, pinos, parafusos, etc. Alguns produtos também passam por um teste de
estanqueidade.
48
2.9.7 Inspeção final
Na última etapa é feito uma avaliação da conformidade da documentação de produção
e controle, e feita uma inspeção visual em 100% das peças, de modo a confirmar a eficiência
do autocontrole realizado em etapas anteriores.
49
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Amostras obtidas da liga 7075T73 foram obtidas através do corte longitudinal de
peças que foram refugadas do processo de produção, devido a outros problemas que não os
corrosivos, como o erro em alguma dimensão na hora da usinagem, mas que não afetam o
estudo em questão. Através de uma análise prévia, também se definiu diversos parâmetros
para cada etapa do processo de produção dessa peça que poderiam variar e interferir no
processo corrosivo.
Em seguida, com a divisão das etapas pelo qual a liga passa para se tornar o produto
acabado – usinagem → ajustagem → inspeção da produção → ensaios não destrutivos →
tratamento de superfície – definiu-se para cada parâmetro escolhido de cada etapa do processo
produtivo, separadamente, quais seriam os valores de nível alto (+) e nível baixo (-), que serão
usados como valores para experimentos seguintes (modelo fatorial fracionado).
Para simular os processos de produção descritos, todas as etapas subseqüentes à etapa
da usinagem foram feitas diretamente nos equipamentos da produção. Para a etapa de
usinagem utilizou-se um aparato experimental que simula o processo de usinagem, no qual
um jato de fluido refrigerante é constantemente jogado sobre a peça dentro de uma bombona
(Figura 4). Foram presos junto às peças dispositivos que simulam o contato do mordedor da
morsa com a peça durante o processo de usinagem do material. Tal metodologia foi adotada
devido a testes previamente feitos para simular o processo de usinagem. A conclusão desses
testes foi que se o dispositivo não estivesse em um forte contato direto com a peça, e se não
houvesse um jateamento do fluido diretamente sobre a peça, o resultado esperado – defeitos
superficiais – não era evidenciado, e, portanto, não representava com fidelidade o processo de
usinagem. Estes dispositivos constituíram um dos fatores do DOE em estudo, sendo estes
dispositivos passivados ou não passivados.
A liga 7075-T73 utilizadas nos experimentos possui a seguinte composição (Tabela 4):
Tabela 4. Composição nominal da liga 7075-T73
Si (%) Fe Cu Mn Mg Ti Zn Cr
0.4 0.5 1.2-2.0 0.3 2.1-2.9 0.2 5.1-6.1 0.18-0.28
50
Figura 4. Aparato para realização dos experimentos previstos no DOE
Com o auxílio da ferramenta Minitab, software de elaboração e quantificação de
DOEs, foram criados para cada etapa do processo de produção experimentos com os fatores a
serem estudados, nos quais a variável resposta escolhida foi a ocorrência ou não da corrosão e
sua quantificação.
A Figura 5 ilustra o processo produtivo, e a seleção dos fatores que foram usados para
o DOE em estudo:
Figura 5. Fluxograma esquemático dos processos e variáveis controladas para a fabricação de uma peça de
alumínio do tipo 7075 (em vermelho os fatores estudados)
51
O critério de seleção das variáveis de estudo neste DOE baseou-se em estudos
prévios, feitos em etapas divididas por áreas gerais do processo (etapas 1-2 constituem o
primeiro estudo, 3-6 o segundo e 7-12 o terceiro). Esses estudos prévios constituíram de
DOEs com fatoriais fracionados com todas as variáreis. As variáveis consideradas críticas
resultantes desses três estudos prévios são as variáveis selecionadas para esse estudo
sequencial.
A seguir (Tabela 4) definiram-se quais seriam considerados como sendo o nível alto e
o nível baixo para serem utilizados nos experimentos (Nível 1 sendo o nível baixo, e Nível 2 o
nível alto).
Tabela 5. Fatores escolhidos para o DOE
Com os fatores definidos, optou-se pelo fatorial do tipo 28-2
, devido a esse fatorial
fornecer informações suficientes para quantificação dos fatores principais, e interações de
segunda ordem, com uma quantidade reduzida de experimentos, tornando o design mais
rápido e mais barato para ser feito. Tal design levou a 64 experimentos.
A quantificação da área com índice de corrosão foi feita para os experimentos da etapa
de ajustagem de forma qualitativa, devido à falta de equipamento adequado para tal aferição.
Entretanto, para todas as outras etapas foi usado um estéreo-microscópio para tirar imagens
digitais da peça (Figura 6). Os corpos de provas utilizados nos experimentos eram peças de
mesma geometria e dimensão, cortadas longitudinalmente, afim de que a partir de uma peça
pudessem ser feitos dois experimentos, e, o experimento ocorresse em regiões externas da
peça e regiões do interior do corpo de prova, assegurando assim a mesma área superficial em
todos os experimentos. Mantendo-se o mesmo aumento para todas as peças, foram tiradas
imagens da peça nas regiões planas em que houve algum defeito superficial, e, com o auxílio
52
do software ImageJ, obteve-se o valor da área corroída em cada imagem. Um exemplo de
medição desta área é apresentado na Figura 7 e Tabela 5.
Com os resultados totais dos experimentos, usou-se novamente a ferramenta Minitab
para analisar os efeitos dos fatores e das interações entre fatores sobre o processo de corrosão
da liga 7075T73 na linha de produção.
Figura 6. Imagem tirada com o stereoscópio de áreas que apresentaram corrosão após o procedimento
experimental
53
Figura 7. Exemplo de área selecionada com corrosão para quantificação
Tabela 6. Resultados por região de corrosão, através do software ImageJ
54
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O diagrama de Pareto de efeito geral sobre a variável resposta Área corroído é
representado na Figura 8.
Figura 8. Diagrama de Pareto de efeito geral do experimento objeto de estudo
A linha vermelha representa a linha considerada como linha crítica para os efeitos de
corrosão. Nota-se, portanto que os fatores que influenciam no aparecimento da corrosão são:
Dispositivo (passivado ou não passivado), Cloreto, uma interação entre o Cloreto e o
dispositivo; em seguida notamos uma interação entre a Dureza do fluido refrigerante e a
lavagem pós-emulsificador. Também nota-se a interação ACF, dispositivo, dureza e Lavagem
pós-emulsificador e a interação BCF, cloreto, dureza e lavagem pós-emulsificador.
Sobre a interação Cloreto-dispositivo (figura 9) pode-se concluir que a pior condição
ocorre quando o dispositivo está não-passivado e o cloreto está alto (nota-se o aumento de
corrosão ao redor do dispositivo). A melhor condição ocorre quando o dispositivo está
passivado, independendo da quantidade de cloreto presente na faixa de concentração
investigada (em concordância com a literatura).
Para a interação dureza e a lavagem pós-emulsificador (figura 10) é notada uma
inversão. Caso a dureza da água esteja alta, é melhor que no momento da lavagem pós-
emulsificação a condutividade esteja baixa. Caso a dureza da água esteja baixa, é melhor no
momento da lavagem pós-emulsificador que a condutividade esteja alta.
55
Figura 9. Pareto de interação entre os níveis de cloreto e o tipo de dispositivo usado no procedimento
Figura 10. Pareto de interação entre os níveis de lavagem pós-emulsificador e a dureza da água utilizada no
procedimento
56
Para a interação ACF (Figura 11):
Figura 11. Cubo de interação entre as variáveis dispositivo, dureza da água e lavagem pós-emulsificador
A pior condição ocorre na situação do dispositivo não passivado, lavagem pós-
emulsificador com condutividade baixa, e dureza baixa. A melhor condição ocorre quando
temos o dispositivo passivado, a condutividade baixa e a dureza nos níveis altos. Devido a sua
complexidade, o efeito dessa interação de terceira ordem não foi também explicado.
Da interação BCF (Figura 12):
Figura 12. Cubo de interação entre as variáveis cloreto, dureza da água e lavagem pós emulsificador
Pode-se observar que a pior situação ocorre com o nível de cloreto no estado alto,
lavagem pós-emulsificador com baixa condutividade e a dureza baixa. A melhor situação para
57
efeitos de corrosão deve-se usar cloreto no nível baixo, a dureza no nível alto, e a lavagem
pós-emulsificador no nível baixo. O efeito dessa interação de terceira ordem é também
complexa de ser explicada.
Pode-se dizer que os gráficos concordam entre si. De fato, quando se analisam as
interações de dureza e lavagem pós-emulsificador, as melhores condições dos gráficos de
terceira ordem concordam com o gráfico de segunda ordem. A interação do cloreto com o
alumínio é conhecida e há muitos relatos na literatura a respeito do efeito negativo destes
íons. O uso de dispositivos passivados em contato com peças durante etapas de processos nas
quais elas se oxidariam é um método comum em meios industriais conhecido como proteção
catódica por anodo de sacrifício.
Algumas das interações de terceira ordem são difíceis de serem explicadas. O efeito da
dureza da água na etapa da usinagem com a condutividade da água na etapa da pós-lavagem é
um efeito que se necessita de um estudo dedicado para se obter um mecanismo e encontrar a
causa raiz da corrosão. Entretanto, entende-se pelo gráfico demonstrado (figura 12), que via
de regra, a água DI utilizada na lavagem após a etapa do LP não deve ser utilizada com menos
do que 7 µS/cm, visto que a dureza da água no estudo em questão não aumenta
sistematicamente.
Com os resultados obtidos, uma melhor condição para controle desses parâmetros foi
adotada a fim de minimizar o aparecimento de corrosão nas peças na linha de produção. Os
parametrôs foram: dispositivo passivado, concentração de cloretos no nível mais baixo
(adotado para o estudo foi 100 ppm), dureza da água no nível mais baixo (4 – 7 dH) e
lavagem pós-emulsificador maior que 7 µS/cm. Tais medidas trouxeram ótimos resultados
gerando em uma grande diminuição da quantidade de corrosão nas peças, consequentemente
diminuição na quantidade de peças refugadas e retrabalhadas.
58
5 CONCLUSÕES
Podemos inferir que os fatores dispositivos (passivado ou não passivado), cloreto, uma
interação entre o cloreto e o dispositivo, interação entre a dureza do fluido refrigerante e a
lavagem pós-emulsificador se mostraram fatores de importância no processo sob o ponto de
corrosão na peça no final do processo de produção.
Também se notam interações significativas de terceira ordem entre, dispositivo,
dureza e lavagem pós-emulsificador e a interação de terceira ordem, cloreto, dureza e lavagem
pós-emulsificador.
Alguns dos fatores de primeira ordem já foram extensivamente estudados. É o caso,
por exemplo, do fator concentração de cloretos e o fator dispositivo ser passivado ou não.
Ainda verificou-se a existência de interações entre esses fatores e outros que por si só não se
mostram significativos na variável resposta em estudo (dureza da água na etapa da usinagem e
lavagem pós-emulsificador). Isto mostra o quão significativo é o controle dessas variáveis no
processo de produção.
Sobre os outros efeitos significantes para a corrosão, os de segunda ordem (dureza do
fluido refrigerante e a lavagem pós-emulsificador), e os de terceira ordem, se mostraram
parâmetros importantes de serem controlados, muito embora o motivo do aparecimento de
corrosão nas peças devido à interação desses fatores seja complexo e não foi explicado neste
trabalho.
Nota-se que a maioria dos fatores sinificativos na variável resposta (aparecimento da
corrosão nas peças) pertence à etapa de usinagem, salvo algumas interações entre esses
fatores e fatores que pertencem a outras etapas. Assim, torna-se evidente a necessidade de um
controle mais rigoroso nessa etapa do processo.
A melhor combinação das variáveis foi aplicada na linha de produção com sucesso,
gerando grande economiza para a empresa.
59
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