BR102018002911A2 - 7075t6 aluminum alloy composite with niobium carbide addition using machining process waste - Google Patents

Abstract

a presente invenção trata da obtenção de pós a partir de resíduos de usinagem da liga de alumínio 7075 na forma de cavacos pela rota da metalurgia do pó, via moagem de alta energia com adição de carbetos. o processamento para a obtenção de alumínio a partir de seu minério bauxita demanda grande quantidade de energia, o que torna a reciclagem deste metal extremamente importante para o campo industrial. a reciclagem envolve insumos energéticos até 95% menores do que os requeridos para a obtenção do alumínio primário. no entanto, os processos de reciclagem convencionais, que envolvem fusão da sucata apresentam restrições no processamento das ligas, pois podem levar à volatilização de elementos de liga durante a fusão e empobrecimento da liga e perdas de até 40% em consequência da oxidação. o material descartado do processo de usinagem da liga é reaproveitado para moagem de alta energia com adição de carbetos, onde o pó deste resíduo com tamanhos submicrométricos e nanométricos é obtido. após a caracterização dos pós, via microscopia ótica e eletrônica de varredura, difração de raios-x e análise de granulometria.The present invention is concerned with obtaining powders from machining residues of 7075 aluminum alloy in the form of chips by the powder metallurgy route via high energy carbide milling. The processing to obtain aluminum from its bauxite ore requires a large amount of energy, which makes the recycling of this metal extremely important for the industrial field. Recycling involves energy inputs up to 95% lower than those required to obtain primary aluminum. However, conventional recycling processes involving scrap melting present restrictions on alloy processing as they may lead to volatilization of alloying elements during melting and depletion of the alloy and losses of up to 40% as a result of oxidation. The discarded material from the alloy machining process is reused for high energy carbide milling, where dust from this submicron and nanometric size is obtained. after the characterization of the powders, through optical and scanning electron microscopy, x-ray diffraction and particle size analysis.

Description

COMPÓSITO DA LIGA DE ALUMÍNIO 7075T6 COM ADIÇÃO DE CARBETOS DE ΝΙΟΒΙΟ UTILIZANDO RESÍDUOS DO PROCESSO DE USINAGEM7075T6 ALUMINUM ALLOY COMPOSITE WITH ADDED ΝΙΟΒΙΟ CARBETS USING MACHINING PROCESS WASTE

Campo de aplicação [001] A presente invenção diz respeito a um novo método de processamento de resíduos da liga de alumínio 7075T6 obtidos por usinagem com adições de carbetos de nióbio. Onde se obtém o pó, este é extremamente útil para fabricar um corpo sinterizado, possuindo já o formato final do componente, assim reduzindo resíduos. Utilizando um processamento que tem a vantagem a economia de recursos energéticos.Field of application [001] The present invention relates to a new method of processing aluminum alloy waste 7075T6 obtained by machining with additions of niobium carbides. Where the powder is obtained, it is extremely useful to manufacture a sintered body, already having the final shape of the component, thus reducing waste. Using processing that has the advantage of saving energy resources.

Estado da técnica [002] A obtenção do alumínio em escala industrial, o minério bauxita passa por um processo de moagem e, misturada a uma solução de soda cáustica, dá como resultado uma pasta que, aquecida sob pressão e recebendo uma nova adição de soda cáustica, se dissolve formando uma solução que passa por processos de sedimentação e filtragem, que eliminam as impurezas. O resultado deste processo a alumina este processamento químico da bauxita, conhecido como processo Bayer. Essa operação se realiza na refinaria, onde o minério é transformado em alumina calcinada, a qual posteriormente será utilizada no processo eletrolítico. Através de uma reação química, a alumina será precipitada através do processo de cristalização por semente. O material cristalizado é lavado e secado através de aquecimento para que o primeiro produto do processo de produção do alumínio, o óxido de alumínio de alta pureza, ou alumina (um pó branco e refinado), seja obtido. A alumina produzida será o principal insumo para a produção do alumínio que, pelo processo de redução, é transformada em alumínio metálico. Trata-se de um processo eletrolítico através de corrente elétrica descoberto por Paul Louis Toussaint Héroult e Charles Martin Hall. Em 1886, esses dois pesquisadores, sem se conhecer, inventaram ao mesmo tempo o procedimento de produção de alumínio, mais conhecido como processo Hall-Hérould.State of the art [002] The obtaining of aluminum on an industrial scale, bauxite ore goes through a grinding process and, mixed with a solution of caustic soda, results in a paste that, heated under pressure and receiving a new addition of soda caustic, dissolves to form a solution that undergoes sedimentation and filtering processes, which eliminate impurities. The result of this process is alumina, this chemical processing of bauxite, known as the Bayer process. This operation takes place at the refinery, where the ore is transformed into calcined alumina, which will later be used in the electrolytic process. Through a chemical reaction, the alumina will be precipitated through the seed crystallization process. The crystallized material is washed and dried by heating so that the first product in the aluminum production process, high-purity aluminum oxide, or alumina (a white, refined powder), is obtained. The alumina produced will be the main input for the production of aluminum, which, through the reduction process, is transformed into metallic aluminum. It is an electrolytic process through an electric current discovered by Paul Louis Toussaint Héroult and Charles Martin Hall. In 1886, these two researchers, without knowing each other, simultaneously invented the aluminum production procedure, better known as the Hall-Hérould process.

[003] Em termos dos volumes utilizados na seqüência de obtenção do alumínio, são necessárias aproximadamente 2,3 toneladas de bauxita para a produção de 1 tonelada de alumina, e 1,95 toneladas de alumina são necessárias para produzir 1 tonelada de[003] In terms of the volumes used in the sequence of obtaining aluminum, approximately 2.3 tons of bauxite are needed to produce 1 ton of alumina, and 1.95 tons of alumina are needed to produce 1 ton of

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 13/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 13/28

2/11 alumínio no processo de redução.2/11 aluminum in the reduction process.

[004] O processamento para a obtenção de alumínio a partir de seu minério bauxita demanda grande quantidade de energia, o que torna a reciclagem deste metal extremamente importante para o campo industrial. A reciclagem envolve insumos energéticos até 95% menores do que os requeridos para a obtenção do Alumínio primário.[004] The processing to obtain aluminum from its bauxite ore requires a large amount of energy, which makes recycling this metal extremely important for the industrial field. Recycling involves energy inputs up to 95% less than those required to obtain primary aluminum.

[005] Para a fabricação de peças acabadas de ligas alumínio um dos processos utilizados é usinagem, neste processo gera grande quantidade de cavacos, uma vez que adquirese um tarugo de forma e dimensão maior que a desejada e então é removido material até que a forma deseja seja alcançada, o que gera uma grande quantidade de resíduos/cavacos provenientes desta liga.[005] For the manufacture of finished pieces of aluminum alloys one of the processes used is machining, in this process it generates a large amount of chips, since a billet of larger shape and dimension is acquired than desired and then material is removed until the shape wishes to be achieved, which generates a large amount of waste / chips from this alloy.

[006] Metalurgia do pó consiste de um processo metalúrgico para a fabricação de materiais compósitos que se distingue de outros processos metalúrgicos tradicionais por utilizar pós-metálicos e não metálicos como matéria-prima durante o processo de produção, além de agregar considerável desenvolvimento das propriedades finais (física e mecânica) e estruturais do novo compósito. O processo de fabricação de peças metálicas por meio da metalurgia do pó consiste de uma série de técnicas de processamento para obtenção de pós incluindo também a moagem de sucatas metálicas para composição uniforme, com fins de compactação desses elementos em ferramental apropriado.[006] Powder metallurgy consists of a metallurgical process for the manufacture of composite materials that is distinguished from other traditional metallurgical processes in that it uses post-metallic and non-metallic as raw material during the production process, in addition to adding considerable development of properties final (physical and mechanical) and structural aspects of the new composite. The process of manufacturing metal parts by means of powder metallurgy consists of a series of processing techniques for obtaining powders including also the grinding of metal scraps for uniform composition, with the purpose of compacting these elements in appropriate tooling.

[007] Posteriormente, é feito o tratamento de sinterização dos pós para a densificação do material, que ocorre com temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base para promover a ligação entre átomos vizinhos das partículas que compõem o material. O processo de densificação é geralmente realizado por meio de um forno para altas temperaturas.[007] Subsequently, the sintering treatment of the powders is carried out to densify the material, which occurs at temperatures below the melting point of the base metal to promote the bond between atoms neighboring the particles that make up the material. The densification process is usually carried out using a high temperature oven.

[008] Este processo também minimiza a necessidade de usinagem e acabamento superficial, além de manter estreita tolerância dimensional fazendo com que os poros de materiais sinterizados apresentem densidades entre 35 e 95% da densidade teórica. [009] A metalurgia do pó se mostra como uma importante alternativa de processo de conformação metálica e apontada como um dos principais caminhos para o futuro da[008] This process also minimizes the need for machining and surface finishing, in addition to maintaining close dimensional tolerance making the pores of sintered materials have densities between 35 and 95% of theoretical density. [009] Powder metallurgy shows itself as an important alternative for the metal forming process and pointed out as one of the main paths for the future of

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 14/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 14/28

3/11 metalurgia no país com aplicações em vários setores da engenharia. Neste contexto, a moagem mecânica feita por meio de um moinho de alta energia surge como uma técnica de processamento alternativa para a obtenção de compostos intermetálicos, capaz de promover a redução de cavacos de materiais a partículas de tamanho até nanométrico. [010] Dois diferentes termos são usados na literatura para definir o processamento de partículas de pós em moagem de alta energia: a síntese mecânica (Mechanical Alloying), que é a mistura de pós de diferentes metais ou ligas, disponíveis comercialmente com partículas entre 1 a 200 pm para moagem em conjunto, com transferência de massa para obtenção de uma liga homogênea, e a moagem mecânica (Mechanical Milling) ou cominuição, que produz uma composição uniforme dos pós, a partir de metais puros, sucatas, intermetálicos ou ligas, o qual não requer transferência de material para homogeneização. Os parâmetros mais importantes envolvidos no processo de moagem de alta energia são: tipo de moinho; rotação da moagem; tempo de moagem; razão entre massa de material e massa de esferas; atmosfera de moagem; agente controlador de processo.3/11 metallurgy in the country with applications in various sectors of engineering. In this context, mechanical grinding using a high-energy mill emerges as an alternative processing technique for obtaining intermetallic compounds, capable of promoting the reduction of material chips to particles up to nanometer in size. [010] Two different terms are used in the literature to define the processing of powder particles in high-energy grinding: mechanical synthesis (Mechanical Alloying), which is the mixture of powders of different metals or alloys, commercially available with particles between 1 at 200 pm for grinding together, with mass transfer to obtain a homogeneous alloy, and mechanical grinding (Mechanical Milling) or comminution, which produces a uniform powder composition, from pure metals, scraps, intermetallic or alloys, which does not require material transfer for homogenization. The most important parameters involved in the high energy grinding process are: type of mill; grind rotation; grinding time; ratio of mass of material to mass of spheres; grinding atmosphere; process controlling agent.

[011] O processo de moagem é caracterizado pela fratura e soldagem repedidas das partículas de pó aprisionadas entre a superfície das esferas de colisão durante a moagem. A extensão deste processo de micro forjamento individual e sua influência sobre a síntese na liga depende, principalmente, do comportamento mecânico dos componentes ou pós envolvidos. Neste contexto, pode-se citar o sistema de mistura do tipo dúctil-frágil, onde as partículas dúcteis da liga em questão assumem a forma de plaquetas, devido às sucessivas soldagens a frio, e se juntam com as partículas frágeis de materiais adicionados a mistura como carbetos e, por meio de fraturas causadas pelos corpos moedores, se distribuem ao longo de espaços interlamelares da matriz dúctil.[011] The grinding process is characterized by repeated fracturing and welding of the dust particles trapped between the surface of the collision spheres during grinding. The extent of this individual micro-forging process and its influence on the synthesis in the alloy depends mainly on the mechanical behavior of the components or powders involved. In this context, we can mention the ductile-fragile mixing system, where the ductile particles of the alloy in question take the form of platelets, due to successive cold welding, and join with the fragile particles of materials added to the mixture. as carbides and, by means of fractures caused by the grinding bodies, they are distributed along interlayer spaces of the ductile matrix.

[012] Nos últimos anos, trabalhos têm sido realizados com compósitos que possuem uma matriz de metal sinterizado juntamente com partículas cerâmicas incorporadas, denominadas óxidos ou carbetos tais como carbeto de nióbio e carbeto de titânio e carbeto de vanádio e outros. Os carbetos são compostos em que o carbono é combinado com elementos menos eletronegativos de um metal para poder melhorar propriedades[012] In recent years, work has been carried out with composites that have a sintered metal matrix together with embedded ceramic particles, called oxides or carbides such as niobium carbide and titanium carbide and vanadium carbide and others. Carbides are compounds in which carbon is combined with less electronegative elements of a metal in order to improve properties

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 15/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 15/28

4/11 como a resistência ao desgaste. A adição de carbetos na moagem aumenta a resistência mecânica do composto barrando o movimento das discordâncias que ficam obrigadas a seguirem trajetórias alternativas ou até se dividirem requerendo maior energia para superar este obstáculo. Assim, consequentemente, a dureza e resistência mecânica do material aumentam devido a maior dificuldade de se deformarem plasticamente.4/11 as wear resistance. The addition of carbides in the grinding increases the mechanical resistance of the compound, preventing the movement of disagreements that are forced to follow alternative paths or even divide, requiring greater energy to overcome this obstacle. Thus, consequently, the hardness and mechanical resistance of the material increases due to the greater difficulty of deforming plastically.

[013] A eficiência da moagem de alta energia decorre do fato de que muitas ligas possuem partículas dúcteis, como o próprio alumínio, em contraste com carbetos que possuem alta dureza, formando um sistema dúctil-frágil. Durante o processo de moagem, fatores como as colisões ocorridas entre os materiais e esferas e também o fato das partículas duras de carbeto se incorporam a matriz dúctil, elevam as tensões sobre esta matriz levando-a a ruptura. Tal processo favorece a produção de um particulado com dimensões micro e nanométricas.[013] The efficiency of high-energy grinding stems from the fact that many alloys have ductile particles, such as aluminum itself, in contrast to carbides that have high hardness, forming a ductile-fragile system. During the grinding process, factors such as collisions between materials and spheres and also the fact that the hard carbide particles are incorporated into the ductile matrix, increase the stresses on this matrix leading to rupture. Such process favors the production of a particulate with micro and nanometric dimensions.

[014] A compactação da mistura de pós solicitados mecanicamente é a última etapa que antecede o processo de sinterização. Logo, compactabilidade é definida como a pressão mínima necessária para produzir um compacto com certa resistência a verde. O processo de prensagem pode ser definido como uma operação de conformação baseada na compactação de pós no interior de uma matriz rígida metálica através da aplicação de pressão já na formato final da peça desejada. A compactação de pós metálicos é influenciada por fatores relativos ao ferramental usado no processo de prensagem como o tipo de prensa, de matriz, o método de prensagem ou até o lubrificante utilizado nas paredes da matriz. Dentre os métodos de prensagem, podem-se citar dois principais: uniaxial e isostático.[014] The compaction of the mechanically requested powder mixture is the last step that precedes the sintering process. Therefore, compactability is defined as the minimum pressure required to produce a compact with a certain resistance to green. The pressing process can be defined as a forming operation based on the compaction of powders inside a rigid metallic matrix by applying pressure already in the final shape of the desired part. The compaction of metal powders is influenced by factors related to the tooling used in the pressing process such as the type of press, die, the pressing method or even the lubricant used in the die walls. Among the pressing methods, two main ones can be mentioned: uniaxial and isostatic.

[015] A sinterização é a fase final do ciclo de consolidação do pó metálico, iniciado na compactação, quando o compactado verde é aquecido, resultando em alteração dimensional e aumento da densidade. A fase de sinterização consiste no aquecimento do compactado da ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga, onde as partículas do pó são unidas por meio do deslocamento difusional de massa e outros mecanismos de transporte atômico.[015] Sintering is the final phase of the metal powder consolidation cycle, which begins at compaction, when the green compact is heated, resulting in dimensional change and increased density. The sintering phase consists of heating the compost to the order of 2/3 to 3/4 of the alloy's melting temperature, where the powder particles are joined together by means of the diffusional mass displacement and other atomic transport mechanisms.

[016] A sinterização influencia a densidade final, bem como as propriedades mecânicas dos componentes de metal sinterizado. Os fatores importantes do ciclo de sinterização[016] Sintering influences the final density as well as the mechanical properties of the sintered metal components. The important factors of the sintering cycle

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 16/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 16/28

5/11 são a taxa de aquecimento, tempo de sinterização, temperatura de sinterização e atmosfera de sinterização, que tem grande influência no comportamento de corrosão e propriedades mecânicas com presença de porosidade quando sinterizadas em atmosferas industriais.5/11 are the heating rate, sintering time, sintering temperature and sintering atmosphere, which has a great influence on the corrosion behavior and mechanical properties with the presence of porosity when sintered in industrial atmospheres.

[017] Neste processo, pode se controlar o nível de porosidade e a distribuição de tamanho dos poros por variáveis de fabricação tais como a pressão de compactação, tempo e temperatura de sinterização e, também, pela variação das propriedades do pó, tais como a forma e o tamanho das partículas, a distribuição do tamanho e a textura da superfície. Os materiais nanocristalinos mostram resistência aumentada, dureza elevada, taxas de difusão extremamente elevadas e, consequentemente, tempos de sinterização reduzidos para compactação em pó.[017] In this process, the porosity level and the pore size distribution can be controlled by manufacturing variables such as the compaction pressure, sintering time and temperature and also by varying the properties of the powder, such as particle shape and size, size distribution and surface texture. Nanocrystalline materials show increased strength, high hardness, extremely high diffusion rates and, consequently, reduced sintering times for powder compaction.

[018] A metalurgia do pó se mostra como uma importante alternativa de processo de conformação metálica e apontada como um dos principais caminhos para o futuro da metalurgia no país com aplicações em vários setores da engenharia.[018] Powder metallurgy shows itself as an important alternative for the metal forming process and pointed out as one of the main paths for the future of metallurgy in the country with applications in various engineering sectors.

Problemas do estado da técnica:State of the art problems:

[019] Os processos de reciclagem convencionais, que envolvem fusão da sucata apresentam restrições no processamento das ligas de alumínio, pois podem levar à volatilização de elementos de liga durante a fusão e empobrecimento da liga e perdas de até 40% em consequência da oxidação. Além disso, a reciclagem de uma liga de alumínio é geralmente feita a partir da mistura de varias ligas sem atenção aos elementos de liga, resultando em lingotes de baixo valor de mercado.[019] Conventional recycling processes, which involve melting scrap, present restrictions in the processing of aluminum alloys, as they can lead to the volatilization of alloy elements during melting and depletion of the alloy and losses of up to 40% as a result of oxidation. In addition, recycling an aluminum alloy is usually done by mixing several alloys without regard to the alloying elements, resulting in ingots of low market value.

[020] Alumínio e suas ligas têm uma importância tecnológica significativa nas indústrias automotiva, de defesa e aeronáutica devido ao seu peso leve e alta força específica. A usinagem é um dos processos mais importantes utilizados para a fabricação de produtos semi-acabados e finais de ligas Alumínio e Alumínio, removendo o excesso de peças sob a forma de pequenas cavacos. A quantidade de cavacos fabricados como resultado do processo de usinagem é suficientemente grande para que a reciclagem dos cavacos de usinagem seja necessária por razões industriais e ambientais.[020] Aluminum and its alloys are of significant technological importance in the automotive, defense and aeronautical industries due to their light weight and high specific strength. Machining is one of the most important processes used for the manufacture of semi-finished and final products of aluminum and aluminum alloys, removing excess parts in the form of small chips. The number of chips manufactured as a result of the machining process is large enough that recycling of the machining chips is necessary for industrial and environmental reasons.

[021] A fundição é geralmente suposta como um método tradicional para a reciclagem[021] Foundry is generally assumed to be a traditional method for recycling

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 17/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 17/28

6/11 dos cavacos de liga Alumínio e Alumínio. No entanto, nas últimas duas décadas, a reciclagem de cavacos por fundição foi revelada como um processo de consumo de energia, destruição ambiental e alto custo. Além disso, verificou-se que 46 e 48% da massa de cavacos de Alumínio se tornou uma perda durante a reciclagem usando o processo de fundição.6/11 of the Aluminum and Aluminum alloy chips. However, in the last two decades, recycling of chips by smelting has been revealed as a process of energy consumption, environmental destruction and high cost. In addition, it was found that 46 and 48% of the mass of Aluminum chips became a loss during recycling using the smelting process.

[022] Porém, ressalta-se que, na produção de componentes a partir dessa e de outras ligas via processos metalúrgicos convencionais, não mais do que 54% dos cavacos do material usinado são recuperados.[022] However, it is noteworthy that, in the production of components from this and other alloys via conventional metallurgical processes, no more than 54% of the chips of the machined material are recovered.

[023] O processamento via metalurgia do pó, cerca de 95% do rejeito de produção de peças metálicas pode ser recuperado. Os benefícios da conversão direta de sucata em pó de metal e posterior compactação incluem também uma redução de consumo energético, proteção do ambiente e menor emissão de poluentes no ar.[023] Processing via powder metallurgy, about 95% of the waste from the production of metal parts can be recovered. The benefits of direct conversion of scrap to metal powder and subsequent compaction also include reduced energy consumption, environmental protection and less emission of pollutants into the air.

Vantagens da invenção [024] Este processo proposto tem a vantagem de não submeter o material a refusão mantendo as boas propriedades mecânicas que o material obteve com a adição de elementos de ligas e os tratamentos térmicos que o material recebeu durante a fabricação. Além disso, a reciclagem de uma liga de alumínio é geralmente feita a partir da mistura de varias ligas sem atenção aos elementos de liga, resultando em lingotes de baixo valor de mercado.Advantages of the invention [024] This proposed process has the advantage of not subjecting the material to reflow keeping the good mechanical properties that the material obtained with the addition of alloy elements and the heat treatments that the material received during manufacture. In addition, recycling an aluminum alloy is usually done by mixing several alloys without regard to the alloying elements, resulting in ingots of low market value.

[025] Este processo também minimiza a necessidade de usinagem e acabamento superficial, além de manter estreita tolerância dimensional fazendo com que os poros de materiais sinterizados apresentem densidades entre 25 e 95% da densidade teórica. A adição de carbetos são compostos em que o carbono é combinado com elementos menos eletronegativos de um metal para poder melhorar propriedades como a resistência ao desgaste.[025] This process also minimizes the need for machining and surface finishing, in addition to maintaining close dimensional tolerance making the pores of sintered materials have densities between 25 and 95% of theoretical density. Carbide additions are compounds in which carbon is combined with less electronegative elements of a metal in order to improve properties such as wear resistance.

Breve descrição das Figuras [026] A Figura 1 apresenta um fluxograma do processo de produção do compósito pela rota da metalurgia do pó com suas etapas.Brief description of the Figures [026] Figure 1 presents a flowchart of the composite production process through the powder metallurgy route with its stages.

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 18/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 18/28

7/11 [027] A Figura 2 apresenta o material usinado na forma de cavacos a partir da barra da liga de alumínio 7075.7/11 [027] Figure 2 shows the material machined in the form of chips from the 7075 aluminum alloy bar.

[028] A Figura 3 apresenta a micrografia da carbeto de nióbio, que apresentou tamanho de 4 a 7 microns e a presença de aglomerações.[028] Figure 3 shows the micrograph of the niobium carbide, which had a size of 4 to 7 microns and the presence of agglomerations.

[029] A figura 4 os jarros de moagem com as esferas e os materiais inseridos prontos para a moagem.[029] Figure 4 the grinding jars with the spheres and the inserted materials ready for grinding.

[030] A Figura 5 a analise de MEV do pó obtido por moagem indica que os tamanhos das partículas dos pós produzidos são consideravelmente reduzidos. Observa-se que as dimensões das partículas variam de poucas micras com a presença de aglomerados e possivelmente com a presença de partículas nanométricas, uma vez que há um maior potencial de fragilização das partículas devido à adição do carbeto. Na Figura 5b, observa-se uma distribuição tri-modal, de tendência central de distribuição de partículas, onde as dimensões variam de 0,1 a 105 pm, fato que converge com a microscopia eletrônica e varredura realizada desta condição.[030] Figure 5, the SEM analysis of the powder obtained by grinding indicates that the particle sizes of the powders produced are considerably reduced. It is observed that the particle sizes vary from a few microns with the presence of agglomerates and possibly with the presence of nanometric particles, since there is a greater potential for particle embrittlement due to the addition of the carbide. In Figure 5b, there is a tri-modal distribution, with a central tendency for particle distribution, where the dimensions vary from 0.1 to 105 pm, a fact that converges with the electron microscopy and scanning performed of this condition.

[031] A Figura 6 apresenta o gráfico da distribuição do tamanho de partícula em relação a distribuição onde o 10 indica que 10% da amostra apresenta tamanho inferior a este valor e assim por diante sucessivamente para as outra distribuições.[031] Figure 6 shows the graph of the particle size distribution in relation to the distribution where 10 indicates that 10% of the sample is smaller than this value and so on for the other distributions.

[032] A Tabela 1 mostra os valores da distribuição acumulada de tamanho de partículas da moagem de alta energia do alumínio com adição de carbeto de niobio. O tamanho das partículas para o fator D50 foi de 7,66 pm com 40 horas moagem, fato que indica que 50% das partículas possuem até este tamanho. Da mesma forma, os valores informados para D10 e D90 são de 0,44 pm e 40,78 pm, indicando que 10% de partículas têm dimensões inferiores e 90% das partículas estão abaixo destes valores, respectivamente.[032] Table 1 shows the values of the accumulated particle size distribution of the high-energy grinding of aluminum with the addition of niobium carbide. The particle size for factor D50 was 7.66 pm with 40 hours of grinding, a fact that indicates that 50% of the particles are up to this size. Likewise, the values reported for D10 and D90 are 0.44 pm and 40.78 pm, indicating that 10% of particles have smaller dimensions and 90% of the particles are below these values, respectively.

[033] A figura 7 apresenta a caracterização da microestrutura dos pós via processo metalográficos, a fim de se avaliar a morfologia po e as fases. A análise do ponto 0 apresentou os elementos de provenientes da liga de alumínio. A análise no ponto 1 o material apresentou um baixa quantidade de alumínio e um grande quantidade de zinco, magnésio indicando a presença da fase Mg3Zn3Al2 onde está apresenta maior densidade. A análise no ponto 2 material apresentou um baixa quantidade de alumínio,[033] Figure 7 shows the characterization of the microstructure of the powders via the metallographic process, in order to evaluate the po morphology and the phases. The analysis of point 0 showed the elements from the aluminum alloy. The analysis in point 1, the material showed a low amount of aluminum and a large amount of zinc, magnesium indicating the presence of the Mg3Zn3Al2 phase where it has a higher density. The analysis in point 2 material showed a low amount of aluminum,

Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 19/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 19/28

8/11 uma quantidade considerável de zinco, magnésio indicando a presença da fase Mg2Zn11.8/11 a considerable amount of zinc, magnesium indicating the presence of the Mg2Zn11 phase.

[034] A Figura 8 apresenta a caracterização da microestrutura dos sinterizado e analise EDX onde podemos observar a dispersão do carbeto de Niobio na amostra sinterizada. [035] A Figura 9 mostra a porosidade via imagem realizada em um microscópio óptico com software de análise de imagens, onde observa a porosidade do material em vermelho.[034] Figure 8 shows the characterization of the sintered microstructure and EDX analysis where we can observe the dispersion of the Niobio carbide in the sintered sample. [035] Figure 9 shows the porosity via image performed in an optical microscope with image analysis software, where it observes the porosity of the material in red.

[036] A Figura 10 mostra a comparação entre as densidades das diferentes condições do alumínio: fundida, sinterizada e à verde. Quando comparada com a densidade da amostra fundida, verifica-se que a densidade da amostra sinterizada é de aproximadamente 90% do valor da densidade do material de fundido.[036] Figure 10 shows the comparison between the densities of the different conditions of aluminum: molten, sintered and green. When compared to the density of the molten sample, it is found that the density of the sintered sample is approximately 90% of the density value of the melt material.

[037] A Tabela 2, observa-se o valor das densidades à verde e densidade aparente esta obtida via princípio de Arquimedes, das amostras sinterizadas, demostra ao aumento da densidade após o tratamento de sinterização e a comparação com o material fundido. [038] A Tabela 3 demostra o resultado da porosidade do sinterizado pela calculo geométrico e pela análise de imagens.[037] Table 2 shows the value of green densities and apparent density obtained from the Archimedes principle, of the sintered samples, showing the increase in density after the sintering treatment and the comparison with the molten material. [038] Table 3 shows the result of the porosity of the sinter by geometric calculation and image analysis.

Descrição detalhada da Tecnologia [039] O objeto da presente invenção é voltado à fabricação de um compósito da liga de alumínio 7075 obtidos pela reutilização de resido de usinagem com adições de carbeto de niobio com ampla aplicabilidade de acordo com o interesse do solicitante e a partir de uma análise de suas propriedades, o processo se realizou conforme o fluxograma da figura 1.Detailed Description of the Technology [039] The object of the present invention is aimed at the manufacture of a 7075 aluminum alloy composite obtained by reusing machining residue with additions of niobium carbide with wide applicability according to the applicant's interest and from After an analysis of its properties, the process was carried out according to the flowchart of figure 1.

[040] O processo pode ser compreendido da seguinte forma:[040] The process can be understood as follows:

I) Os cavacos da liga de alumínio 7075T6 foram obtidos por processo de usinagem a partir do material fundido em barras, figura 2.I) The chips of the 7075T6 aluminum alloy were obtained by machining from the molten material in bars, figure 2.

II) O mesmo ocorreu com o carbeto selecionado. Neste caso, o carbeto de niobio produzidos pela empresa Hermann C. Starck possui granulometria entre 3 a 4 pm, figuraII) The same occurred with the selected carbide. In this case, the niobium carbide produced by the company Hermann C. Starck has a particle size between 3 and 4 pm, figure

3.3.

III) O processo parte da quebra dos cavacos usinados em pedaços menores (~ 50 mm), onde foram pesados 10 g destes para serem inseridos com 3% de carbeto de niobio (%III) The process starts from breaking the machined chips into smaller pieces (~ 50 mm), where 10 g of these were weighed to be inserted with 3% niobium carbide (%

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9/11 em massa) em um jarro de aço inoxidável com 200 g de esferas de dois diâmetros diferentes e mesma proporção: grandes (21 mm), médias (13 mm) e 3,2ml de metanol. A relação massa/esfera foi fixada na proporção de 1:10. A adição de metanol se justifica por este ser um agente controlador de processo (ACP), que age como desaglomerante para evitar que a moagem seja afetada pela soldagem a frio das partículas dos pós, figura9/11 by weight) in a stainless steel jar with 200 g of spheres of two different diameters and the same proportion: large (21 mm), medium (13 mm) and 3.2 ml of methanol. The mass / sphere ratio was fixed at a 1:10 ratio. The addition of methanol is justified because it is a process controlling agent (ACP), which acts as a de-agglomerant to prevent the grinding from being affected by the cold welding of the powder particles, figure

4.4.

IV) A moagem de alta energia foi realizada em um moinho planetário com atmosfera de argônio para evitar a oxidação dos pós, onde foram assumidos os seguintes parâmetros e seus valores de acordo com a realização de um planejamento de experimentos (DOE): tempo de moagem 40 horas; rotação de 400 rpm.IV) The high energy grinding was carried out in a planetary mill with an argon atmosphere to avoid the oxidation of the powders, where the following parameters and values were assumed according to the realization of an experimental design (DOE): grinding time 40 hours; 400 rpm rotation.

V) Após a moagem, os pós são retirados dos jarros do moinho e armazenados em recipientes limpos e secos. O pó foi analisado o tamanho do particulado via difração a laser por meio de um granulômetro tabela 1 e figura 5 e 6. Ambas as análises verificaram a presença de partículas micrométricas e nanométricas.V) After grinding, the powders are removed from the mill jars and stored in clean and dry containers. The powder was analyzed for particulate size via laser diffraction using a granulometer table 1 and figures 5 and 6. Both analyzes verified the presence of micrometric and nanometric particles.

Tabela 1. Valores de distribuição acumulativa para 40 horas de moagem com VC.Table 1. Cumulative distribution values for 40 hours of grinding with VC.

Tempo de Moagem (h) Grinding Time (h) D10 (pm) D10 (pm) D50 (pm) D50 (pm) D90 (pm) D90 (pm) 40 40 0,48 0.48 7,66 7.66 40,78 40.78

VI) Em seguida, é realizada a caracterização microestrutural dos pós via microscopia eletrônica de varredura para se avaliar o tamanho, a morfologia, além da análise química para verificar a presença do carbeto no material (EDX), figura7, onde notamos a presença de fissuras resultantes da moagem e também a presença de fases da liga de alumínio 7075T6 onde os caracterizados na amostra são: o ponto 0 apresentou os elementos de provenientes da liga de alumínio, o ponto 1 o material apresentou um baixa quantidade de alumínio e um grande quantidade de zinco, magnésio indicando a presença da fase Mg3Zn3Al2 onde esta apresenta maior densidade, o ponto 2 material apresentou um baixa quantidade de alumínio, uma quantidade considerável de zinco, magnésio indicando a presença da fase Mg2Zn11.VI) Then, the microstructural characterization of the powders is carried out via scanning electron microscopy to assess the size, morphology, in addition to the chemical analysis to check the presence of carbide in the material (EDX), figure 7, where we notice the presence of cracks resulting from the grinding and also the presence of 7075T6 aluminum alloy phases where those characterized in the sample are: point 0 presented the elements from aluminum alloy, point 1 the material presented a low amount of aluminum and a large amount of zinc, magnesium indicating the presence of the Mg3Zn3Al2 phase where it has the highest density, point 2 material showed a low amount of aluminum, a considerable amount of zinc, magnesium indicating the presence of the Mg2Zn11 phase.

VII) O processo de compactação foi realizado em prensa uniaxial. As amostras para prensagem foram confeccionadas com 1,0 gramas pó da mogem, onde foi aplicada aVII) The compaction process was carried out in a uniaxial press. The samples for pressing were made with 1.0 grams of mahogany powder, where

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10/11 arga de 400 MPa. Depois de transformadas em peletes, seu diâmetro e altura foram determinados para o cálculo da densidade a verde. Os resultados são vistos na tabela 2.10/11 400 MPa mortar. After being transformed into pellets, their diameter and height were determined to calculate the density in green. The results are shown in Table 2.

VIII) A sinterização ocorreu em um forno com atmosfera a vácuo, para evitar processos de oxidação, produzido por uma bomba mecânica com capacidade de 10-2 mbar. Um tubo de quartzo ligado à bomba foi utilizado como recipiente de armazenamento das amostras, que foram aquecidas a uma taxa de 10°C/ min até a temperatura de 550°C, onde permaneceram por mais 240 minutos. Ao final, as amostras foram arrefecidas no interior do forno.VIII) The sintering took place in a vacuum atmosphere furnace, to avoid oxidation processes, produced by a mechanical pump with a capacity of 10-2 mbar. A quartz tube connected to the pump was used as a storage container for the samples, which were heated at a rate of 10 ° C / min to a temperature of 550 ° C, where they remained for another 240 minutes. At the end, the samples were cooled inside the oven.

IX) A densidade aparente do material sinterizado foi analisada pelo princípio de Arquimedes, onde os corpos de prova foram imersos em água destilada por 24 horas antes de serem tomadas as medidas, de acordo com a NBR 6220:2011 os resultados esta na tabela 2. Foi usada uma balança de precisão de quatro dígitos, na qual foram medidas as massas seca, úmida e imersa dos corpos de prova os resultados se encontram na tabela 2.IX) The apparent density of the sintered material was analyzed using the Archimedes principle, where the specimens were immersed in distilled water for 24 hours before measurements were taken, according to NBR 6220: 2011, the results are shown in table 2. A four-digit precision scale was used, in which the dry, wet and immersed masses of the specimens were measured. The results are shown in table 2.

Tabela 2. Comparação entre densidades a verde e sinterizada.Table 2. Comparison between green and sintered densities.

Amostras Samples Média densidade à verde (g/cm³)Medium green density (g / cm ³ ) Média densidade aparente (g/cm³)Average apparent density (g / cm ³ ) Fundido Cast - - 2,75 2.75 Compósito Composite 2,17 2.17 2,58 2.58

X) A microestrutura das amostras sinterizadas foi caracterizada via microscopia óptica e eletrônica de varredura para se avaliar a morfologia do particulado sinterizado, além da análise química para verificar a presença do carbeto no material (EDX) figura 8.X) The microstructure of the sintered samples was characterized by optical and scanning electron microscopy to assess the morphology of the sintered particulate, in addition to the chemical analysis to check the presence of the carbide in the material (EDX) figure 8.

XI) A porosidade da do compósito foi calculada por densidade geométrica e por analise de imagem, figura 9 e tabela 3 e realizada um a comparação das densidades e conforme a figura 10 a comparação das densidades com o material fundido.XI) The porosity of the composite was calculated by geometric density and by image analysis, figure 9 and table 3 and a comparison of the densities was carried out and, according to figure 10, the comparison of the densities with the molten material.

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11/1111/11

Tabela 3. Porosidade do material sinterizado.Table 3. Porosity of the sintered material.

Amostras Samples Média porosidade aparente (%) Average apparent porosity (%) Média porosidade imageamento (%) Average porosity imaging (%) Sinterizada Sintered 11 11 7,6 7.6

XII) A obtenção do compósito sinterizado, com sua matriz formada a partir dos pós da liga alumínio 7075T6 contendo carbeto como material cerâmico, passa a ser possível por meio de processos simples de compactação e sinterização em um único ciclo térmico, de modo a garantir um produto com relativa densidade quando compactado de forma uniaxial.XII) Obtaining the sintered composite, with its matrix formed from 7075T6 aluminum alloy powders containing carbide as ceramic material, becomes possible through simple processes of compacting and sintering in a single thermal cycle, in order to guarantee a product with relative density when uniaxially compacted.

Capacidade de aplicação industrial [041] A presente invenção se destaca por ser uma alternativa para a produção de pós através do reaproveitamento de rejeitos do processo de usinagem, que podem apresentar propriedades interessantes para a produção de peças e componentes industriais. Pode ser uma alternativa para reciclagem de resíduos de produção de peças de alumínio da liga 7075 um vez que para obtenção do alumínio primário tem-se um custo elevado energia elétrica, Também possui apelo ambiental, a rota de reciclagem atual consiste na fundição do material onde ocorre um perda de 40% do material por oxidação, esta que gera a necessidade de obtenção alumínio primaria novamente.Capacity for industrial application [041] The present invention stands out for being an alternative for the production of powders through the reuse of waste from the machining process, which may have interesting properties for the production of industrial parts and components. It can be an alternative for recycling residues from the production of aluminum parts from the 7075 alloy, since obtaining primary aluminum has a high electric energy cost. It also has an environmental appeal, the current recycling route consists of melting the material where there is a loss of 40% of the material by oxidation, which creates the need to obtain primary aluminum again.

[042] Pelo fato de produzir partículas micro e nanométricas no processo de moagem de alta energia, quando adicionado a carbetos, os pós resultantes da moagem podem proporcionar um material sinterizado de alta densidade, pouca porosidade e propriedades mecânicas bastante significantes quando comparadas ao material fundido.[042] Due to the fact that it produces micro and nanometric particles in the high energy grinding process, when added to carbides, the powders resulting from the grinding can provide a sintered material of high density, low porosity and very significant mechanical properties when compared to the molten material .

[043] Assim, as aplicações deste produto compósito podem ser amplas, de modo que requerem uma análise de suas propriedades para embasar sua seleção em determinada aplicação.[043] Thus, the applications of this composite product can be broad, so that they require an analysis of its properties to support its selection in a given application.

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Claims (2)

REIVINDICAÇÕES COMPÓSITO DA LIGA DE ALUMINIO 7075T6 COM ADIÇÃO DE CARBETOS DE NIOBIO UTILIZANDO RESÍDUOS DO PROCESSO DE USINAGEM7075T6 ALUMINUM ALLOY COMPOSITE WITH NIOBIO CARBIDE ADDITION USING MACHINING PROCESS WASTE 1. Compósito da liga de alumínio 7075T6 / carbeto de nióbio produzido pela rota da moagem de alta energia, caracterizado por possuir: os elementos, dentre os quais: Alumínio, Zinco, Manganês cobre e carbeto de nióbio, este a ser adicionado à mistura para moagem, formar um sistema de mistura do tipo dúctil-frágil com as partículas do alumínio 7075T6 e possuir tamanho de partículas na faixa entre 4 a 7 pm, medido pelo fabricante, submetido aos parâmetros de moagem de 400 rpm, relação massa/bola 1/20, no tempo de 40 horas apresentarem tamanho de partículas de até 7,66 pm (D50) de acordo com a medida de distribuição volumétrica acumulativa obtida via análise granulométrica a laser, este resultante apresentar partículas submicrométricos, de acordo com micrografias obtidas via microscopia eletrônica de varredura, apresentando com média de densidades a verde de 2,58g/cm3, com média de densidade aparente de 2,58 g/cm3, representando cerca de 95% da densidade do material fundido e as amostras com porosidade aparente de 8% e porosidade via imagiamento de 7% e pelo fato de conter as seguintes etapas no processo:1. Aluminum alloy composite 7075T6 / niobium carbide produced by the high energy milling route, characterized by having: the elements, among which: Aluminum, Zinc, Manganese copper and niobium carbide, this to be added to the mixture for grinding, form a ductile-brittle mixing system with 7075T6 aluminum particles and have particle size in the range between 4 to 7 pm, measured by the manufacturer, subjected to grinding parameters of 400 rpm, mass / ball ratio 1 / 20, within 40 hours present particle sizes of up to 7.66 pm (D50) according to the cumulative volumetric distribution measure obtained via laser particle size analysis, this resulting has submicrometric particles, according to micrographs obtained via electron microscopy of scanning, presenting an average density in green of 2.58 g / cm3, with an average apparent density of 2.58 g / cm3, representing about 95% of the material density fused material and samples with apparent porosity of 8% and porosity via imaging of 7% and because it contains the following steps in the process: I) Quebra e mistura dos cavacos com o carbeto de nióbio e com agente controlador do processo metanol homogeneizado em um jarro de aço inoxidável com esferas de dois diâmetros diferentes e mesma proporção;I) Breaking and mixing the chips with the niobium carbide and with a controlling agent of the methanol process homogenized in a stainless steel jar with spheres of two different diameters and the same proportion; II) Posterior moagem de alta energia em moinho planetário com atmosfera de argônio para evitar a oxidação dos pós com parâmetros e seus valores definidos de acordo com um planejamento de experimentos (DOE);II) Subsequent high-energy grinding in a planetary mill with an argon atmosphere to prevent oxidation of the powders with parameters and their values defined according to an experiment plan (DOE); III) As análises granulométricas e via microscopia eletrônica de varredura verificaram a presença de partículas micrométricas, além de um processo de amorfização do material conforme aumento do tempo de moagem e da presença de fases, verificado por difração de raios X;III) The granulometric analyzes and via scanning electron microscopy verified the presence of micrometric particles, in addition to a process of amorphization of the material as the grinding time increased and the presence of phases, verified by X-ray diffraction; IV) Realização de compactação em uma prensa uniaxial, onde as amostras foram confeccionadas com 0,5 gramas de material (Alumínio 7075T6 + carbeto). Nesta fase foi feita a medida de densidade à verde;IV) Conduction of compaction in a uniaxial press, where the samples were made with 0.5 grams of material (Aluminum 7075T6 + carbide). In this phase, the green density measurement was made; Petição 870180012062, de 15/02/2018, pág. 11/28Petition 870180012062, of 02/15/2018, p. 11/28 2/22/2 V) Sinterização em um forno com atmosfera inerte (vácuo) produzido por bomba mecânica de 10^-2 mbar para evitar oxidação, a temperatura de 650°C e resfriadas em água;V) Sintering in an oven with an inert atmosphere (vacuum) produced by a mechanical pump of 10 ^-2 mbar to prevent oxidation, at a temperature of 650 ° C and cooled in water; VI) A partir do compósito sinterizado, foram realizadas as medidas de densidade e porosidade aparentes;VI) From the sintered composite, apparent density and porosity measurements were taken;