Comportamento de solubilidade do ítrio em ligas de Mg-Y e rota de processamento recomendada

As ligas de magnésio-ítrio (Mg-Y) têm recebido cada vez mais atenção em aplicações estruturais leves devido à sua excelente relação resistência-peso e estabilidade térmica. Em particular, Mg-1 a.% Y é uma composição representativa para estudar a solubilidade do ítrio e sua influência no desempenho da liga. Este artigo descreve o comportamento de solubilidade do ítrio em Mg, os principais parâmetros de processamento e uma rota prática para produzir uma solução sólida de Mg-Y de alta qualidade e totalmente dissolvida.

1. Composição da liga e objetivos de solubilidade

A liga de base discutida aqui é Mg-1 a.% Y, produzida com magnésio de alta pureza ≥99,99%. O ítrio, um elemento de terras raras com solubilidade limitada em temperatura ambiente, pode se dissolver significativamente na matriz de α-Mg em temperaturas elevadas. Alcançar a solubilidade total é fundamental, não apenas para o desempenho mecânico, mas também para suprimir a formação de compostos intermetálicos como Mg₂₄Y₅ ou Mg₄₂Y₅, que tendem a fragilizar a liga.

O objetivo é produzir uma solução sólida uniforme em que o Y seja totalmente incorporado à matriz α-Mg. Isso melhora a resistência à corrosão, a estabilidade térmica e a força, além de evitar precipitados indesejados que podem se formar durante o processamento ou serviço.

2. Mecanismo de solubilidade do ítrio no magnésio

O ítrio se dissolve no magnésio seguindo o comportamento padrão de solubilidade substitucional. Em altas temperaturas (acima de 500 °C), os átomos de ítrio podem efetivamente ocupar posições dentro da matriz de Mg. No entanto, devido à estreita faixa de solubilidade sólida de Y em Mg em temperaturas mais baixas, é essencial um controle preciso sobre o histórico térmico.

Do ponto de vista termodinâmico, a temperatura é a principal força motriz da dissolução, com o tempo e a atmosfera servindo como fatores de apoio. Manter a liga em uma temperatura suficientemente alta permite que a difusão ocorra de maneira uniforme. O estágio de resfriamento deve ser cuidadosamente gerenciado para suprimir a precipitação de fases secundárias ricas em Y. Além disso, são necessários gases protetores inertes ou semi-inertes para evitar a oxidação do Y durante a fusão e o tratamento térmico, garantindo a estabilidade química.

3. Rota de processamento recomendada

Para dissolver totalmente o Y no magnésio, recomenda-se a seguinte rota de produção:

Fusão e liga

A liga deve ser preparada pela mistura de Mg de alta pureza com uma liga principal de Mg-25% em peso de Y. A fusão deve ser realizada em um forno de indução a aproximadamente 760 °C, sob uma atmosfera protetora de 99% de CO₂ e 1% de SF₆. Essa mistura de gases protege efetivamente a fusão do oxigênio, evitando a oxidação do elemento de terras raras. O molde deve ser pré-aquecido a 200-300 °C, o que melhora o fluxo do metal e reduz os gradientes térmicos durante a fundição.

Fundição e resfriamento

Depois de fundida e homogeneizada, a liga é despejada no molde sob proteção contínua de gás. A taxa de resfriamento deve ser controlada cuidadosamente: se for muito rápida, a liga poderá sofrer estresse térmico; se for muito lenta, poderá haver a formação de fases intermetálicas indesejadas. Um perfil de resfriamento moderado garante a estabilidade das fases e o refinamento dos grãos.

Tratamento de solução e resfriamento

Após a fundição, a liga é submetida a um tratamento térmico de solução a 525 °C por 15 horas. Isso permite que qualquer partícula rica em Y remanescente se dissolva totalmente na matriz de Mg. Novamente, uma atmosfera protetora é essencial para manter a qualidade da superfície e a limpeza interna. A liga tratada termicamente é então resfriada em água quente (~70 °C) para suprimir a precipitação de fases secundárias durante o resfriamento.

4. Flexibilidade operacional e observações práticas

Embora os parâmetros descritos acima sejam recomendados, eles podem ser ajustados de acordo com as limitações do equipamento ou com a escala de produção. Os operadores devem priorizar a distribuição uniforme da temperatura, o controle rigoroso da atmosfera e o tempo preciso durante cada estágio. Problemas comuns, como vazamento de gás, superaquecimento local ou resfriamento tardio, podem levar à formação de inclusões ou à precipitação de intermetálicos, o que compromete a qualidade da liga.

Deve-se prestar atenção também ao projeto do molde e às práticas de agitação da massa fundida. Minimizar a turbulência durante o vazamento e usar cadinhos de paredes lisas ajuda a manter a homogeneidade química do produto final.

Referências

Vários estudos e artigos técnicos revisados por pares apóiam o processo descrito e o mecanismo de solubilidade:

1. Effects of Y Additions on the Microstructures and Mechanical Behaviours of as-Cast Mg-xY-0.5Zr Alloys, Advanced Engineering Materials, 2022.

2. Microhardness and In Vitro Corrosion of Heat-Treated Mg-Y-Ag Biodegradable Alloy (Microdureza e corrosão in vitro da liga biodegradável Mg-Y-Ag tratada termicamente), PMC, 2017.

3. Effect of Solution Treatment Time on Microstructure Evolution and Properties of Mg-3Y-4Nd-2Al Alloy (Efeito do tempo de tratamento da solução na evolução da microestrutura e nas propriedades da liga Mg-3Y-4Nd-2Al), Materials (MDPI), 2023.

4. Thermodynamic and Microstructural Evolution in Mg-Y Binary Alloys during Solidification (Evolução termodinâmica e microestrutural em ligas binárias Mg-Y durante a solidificação), Wiley Online Library, 2021.