Adição de partículas de SiC como reforço em matriz metálica de liga de magnésio MRI202 por fundição com agitação mecânica

Abstract

Materiais compósitos têm se tornado de grande importância para a engenharia, uma vez que possuem certas propriedades não obtidas por seus constituintes, individualmente. As ligas de magnésio, em função da ótima relação peso x resistência, são consideradas materiais estruturais leves. Tendo em vista essas características, o objetivo desta investigação foi processar, via fundição com agitação mecânica, compósito de matriz metálica da liga de magnésio MRI202 com reforços de partículas de carbeto de silício em escalas submicrométrica e nanométrica, avaliando sua resposta em relação as propriedades mecânicas e de desgaste. Dois experimentos, utilizando rota de fabricação por fundição sob agitação mecânica, foram realizados: um com ligas de magnésio MRI202 reforçadas com diferentes porcentagens de SiC (1, 2, 5 e 10%, em peso) em escala submicrométrica; e outro com ligas de magnésio MRI202 reforçadas com diferentes porcentagens de SiC (0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 %, em peso) em escala nanométrica, com tratamento térmico T6. A microestrutura dos compósitos apresentou as fases presentes na liga (α-Mg e Mg12RE) e as próprias partículas de SiC. Além disso, há presença da fase Mg2Si, indicando reação entre as partículas e a matriz metálica. A interação entre as partículas e a matriz de liga MRI202 promoveu modificação na forma das fases preexistentes, gerando morfologia acicular em fases de RE. No experimento 1, a análise dos resultados indicou a presença de aglomerados de partículas em todas as condições de adição. A incorporação de reforço de MicroSiC na microestrutura aumentou a dureza. Entre as diferentes condições testadas, na concentração de 10% em peso de MicroSiC, a dureza atingiu 145 HV, indicando uma melhoria de 70%; ademais, a concentração de 5% em peso de MicroSiC atingiu a maior resistência à tração final, atingindo 117 MPa, representando um aumento de 14% em comparação com a liga fundida sem adição de SiC. A resistência ao desgaste foi aprimorada conforme aumentou o percentual de partículas. No experimento 2, a análise dos resultados indicou tendência de formação de aglomerados a partir de 1,0 % em peso de NanoSiC. A dureza foi aprimorada de 48 HV, da liga MRI202, para 60 HV, com 2,0 % de NanoSiC. Com tratamento térmico T6, a dureza da liga MRI202 atingiu 75 HV, enquanto da condição com 2,0 % de NanoSiC foi de 77 HV. O desempenho da liga MRI202 com T6 em resistência a tração, alongamento e desgaste não foi superado pelo compósito com nanopartículas. Conclui-se que a formação dos compósitos com partículas de SiC em escala submicrométrica contribui para melhorar as propriedades mecânicas e de desgaste, enquanto que nos compósitos com partículas de SiC em escala nanométrica aumentam principalmente a dureza.

Composite materials have become highly significant in engineering due to their ability to exhibit certain properties not achievable by their constituents. Due to their excellent strength-to-weight ratio, magnesium alloys are considered lightweight structural materials. Given these characteristics of both magnesium and composites, the objective of this study was to process, via stir casting, a magnesium matrix composite based on the MRI202 alloy reinforced with silicon carbide (SiC) particles at submicron and nanometric scales, and to evaluate its mechanical and wear properties. Two experiments were conducted using the stir casting method: the first involved MRI202 magnesium alloys reinforced with different weight percentages of submicron-scale SiC (1, 2, 5, and 10 wt.%); the second used MRI202 alloys reinforced with varying weight percentages of nanometric-scale SiC (0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 wt.%), followed by T6 heat treatment. The microstructural analysis of the composites revealed the presence of the phases typical of the alloy (α-Mg and Mg12RE), along with the SiC particles themselves. Additionally, the presence of the Mg₂Si phase indicated a reaction between the SiC particles and the metallic matrix. The interaction between the SiC particles and the MRI202 matrix alloy led to a morphological transformation of the preexisting phases, particularly resulting in an acicular morphology in the rare-earth (RE) phases. In Experiment 1, the analysis indicated the presence of particle agglomerates under all reinforcement conditions. Incorporating submicron SiC (MicroSiC) into the microstructure increased the material's hardness. Among the tested conditions, the composite with 10 wt.% MicroSiC reached a hardness of 145 HV, representing a 70% improvement. Furthermore, the 5 wt.% MicroSiC condition exhibited the highest ultimate tensile strength, reaching 117 MPa, which corresponds to a 14% increase compared to the unreinforced cast alloy. Wear resistance also improved with increasing SiC content. In Experiment 2, the analysis revealed a tendency for nanoparticle agglomeration starting from 1.0 wt.% NanoSiC. The hardness increased from 48 HV for the base MRI202 alloy to 60 HV with 2.0 wt.% NanoSiC. After T6 heat treatment, the hardness of the base MRI202 alloy increased to 75 HV, while the condition with 2.0 wt.% NanoSiC reached 77 HV. However, the MRI202 alloy subjected to T6 heat treatment exhibited superior performance in tensile strength, elongation, and wear resistance compared to the nanocomposite. In conclusion, the formation of SiC-reinforced composites at the submicron scale contributed to improvements in mechanical and wear properties, whereas in composites with nanometric SiC particles, the main effect is an increase in hardness.