Ligas de alumínio

Ligas de alumínio para fundição
Relações entre o processo de fundição e a
microestrutura
Marcelo F. Moreira
Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT
Escola de Engenharia Mauá
(011) 37674170 e-mail: [email protected]
Mercado das ligas de alumínio fundidas
bens de
capital
util.
Domesticas
transportes
exportação
Fundidos de alumínio
2
1
Aplicações das ligas de alumínio
┐
Por questões de
demanda, segurança
e conforto, a massa
dos veículos vem
aumentando nos
últimos anos.
3
Aplicações das ligas de alumínio
┐
Para reverter ou
compensar o
aumento do consumo
e das emissões, é
necessário reduzir a
massa do veículo.
As ligas de Al fundidas são empregadas em componentes
do motor, da suspensão e da estrutura.
4
2
Aplicações das ligas de alumínio
┐
A redução de 100 kg em
um automóvel a gasolina
resulta em:
┐ redução de 9 g de CO2 por
km e
┐ uma redução do consumo
de 0,4 litros para cada 100
km.
5
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes do motor (bloco, cabeçote, pistões
tampas, carcaças e suportes)
6
3
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes de suspensão fundidos
Componentes de suspensão fundidos
em coquilha (A357 T6)
7
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes estruturais fundidos por
gravidade em liga A356 T6 utilizados no
“space frame” da F360
8
4
Importância dos fundidos
ABAL 2007
┐
┐
┐
┐
┐
┐
┐
┐
Fundição sob pressão
Fundição por gravidade
Fundição por baixa pressão
Laminados
Extrudados
Fios e cabos
Pó
Outros
48%
17%
8%
2%
5%
Produtos
fundidos
38%
34%
4%
20%
Produtos
conformados
80%
* 63% deste total é produzido com alumínio reciclado
9
Ligas de alumínio fundidas
Endurecidas por meio
dos tratamentos
térmicos de
solubilização e
envelhecimento
10
5
Ligas Al-Si
┐
Mais de 95% dos componentes fundidos de alumínio são
produzidos com ligas do sistema Al-Si:
AA
SAE
Processo
Aplicações
B 380
306
Injeção
Carcaças, corpos e suportes injetados.
319, 380
326
Coquilha e areia
Cabeçotes, carter estrutural.
339, 336
321
Coquilha
Pistões e polias.
413
305
Coquilha
Rodas e componentes de geometria
complexa.
A356, A357
323
Baixa pressão
Rodas, suportes, componentes de suspensão
e cabeçotes.
11
Ligas de alumínio fundidas
┐
Família das ligas Al-Si (4xx):
 Liga 413: Al - 11 a 13%Si
┐
Família das ligas Al-Si-Mg (3xx):
 Liga 356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,50%Fe
 Liga A356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,20%Fe
 Liga A357: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,40 a 0,60%Mg e até 0,20%Fe
┐
Família das ligas Al-Si-Cu (3xx):
 Liga 319: Al- 5,5 a 6,5%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
 Liga 380: Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
 Liga 380 (injeção): Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 1,2%Fe
12
6
Características gerais das ligas Al-Si
┐
Baixa densidade (2,7 g/cm3),
┐
Resistência moderada após tratamento térmico (LE ~ 250350 MPa);
┐
Baixa temperatura de fusão (permite fundição em moldes
metálicos);
┐
Elevada fluidez, devido a presença de Si;
┐
Baixa tendência à trincas de solidificação (devido ao Si);
┐
Elevado coeficiente de transmissão de calor.
13
Características gerais das ligas Al-Si
┐
Propriedades de interesse em projetos mecânicos:
Material
Al-Si (A356)
Condutividade
térmica
k (W/m.°C)
Limite de
escoamento
LE (MPa)
E
(GPa)
KIC
(MPa.m1/2)
Densidade
 (kg/cm3)
145
250 – 350
72
16 - 27
2,7
Ferro fundido cinzento
(FF 30)
47 - 56
220
120
17 - 21
7,6
Ferro fundido
vermicular
32 - 36
500
165
32 - 46
7,6
Ferro fundido nodular
35 - 42
600
170
33 - 54
7,6
Aço BLAR
50 - 52
800
210
43 - 50
7,8
Aço inoxidável 304
14 - 17
600
195
119 - 228
7,9
14
7
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
LE

 0,1
Aços (800 MPa)
Ligas de Al (300 MPa)
Ligas de Mg (150 MPa)
15
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
16
8
Características gerais das ligas Al-Si
┐
Três características terão efeitos adversos sobre
o processo de fundição:
1.
Elevada contração de solidificação que
implicará no uso de massalotes;
17
Contração sólido-liquido
┐
A maioria dos metais
apresenta um volume maior
no estado líquido que no
estado sólido.
┐
Assim, durante a solidificação,
ocorre uma redução de
volume e o componente
fundido fica menor que a
cavidade do molde.
18
9
Contração sólido-liquido
Rechupes
┐
As regiões de maior módulo (relação
entre volume e área) serão as
últimas regiões a se solidificar.
┐
Quando estas regiões de líquido se
solidificarem sofrerão uma
contração, resultando em vazios
internos denominados rechupes.
┐
Os rechupes são evitados com a
alimentação destes volumes com
metal líquido para compensar a
contração.
Simulação solidificação
Rechupe sob raios X
19
Contração sólido-liquido
Massalotes
┐
Os massalotes são os
“reservatórios” de metal líquido
para alimentar a contração em
várias regiões do fundido.
┐
Para que o massalote alimente a
contração de solidificação, ele
deve possuir o maior módulo ou
deve estar isolado
termicamente, de modo a ser a
última região a se solidificar.
20
10
Características gerais das ligas Al-Si
2.
Elevada reatividade com o oxigênio no estado
líquido (sensibilidade à turbulência no metal
líquido);
3.
Elevada solubilidade de H no estado líquido e
reduzida no estado sólido que resulta em
elevada tendência à formação de
microporosidades.
Tratamento do metal líquido
21
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para
fundição
┐
A fundição de componentes de qualidade elevada
(“premium quality castings”) envolve a seleção de ligas
contendo baixo teor de Fe (<0,2%), submetidas aos
tratamentos de modificação do eutético Al-Si, de refino
de grãos, de desgaseificação e limpeza e retenção de
inclusões de óxidos.
┐
Estes fundidos são produzidos em moldes metálicos e
tratados termicamente (T6).
22
11
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para
fundição
┐
Fluxograma do processo de fundição para de componentes
“premium quality castings”:
Liga A356/A357
Modificação com Sr
Fe < 0,20%
Sr = 60 -150 ppm
Fundição em
molde metálico
SDAS entre 20 e 40
m
Escorificação e
vazamento sem
turbulência
Refino de grãos com
Al-5Ti-1B
%Ti ~0,15%
Desgaseificação em rotor
com N2 ou Ar UP
7 minutos
Solubilização e envelhecimento T6
23
Exemplo de micrografia
A357 (cabeçote G&W Q= 419 MPa)
25 x
100 x
200 x
400 x
24
12
Microestruturas características das ligas
de alumínio fundidas
Microestrutura típica das ligas Al-Si
Liquido
A356
A357
413
7%Si; 0,2% Fe
11%Si , 0,2% Fe
0,3% - 0,5% Mg
Temperatura
+L

 + Si
 + Si
%Si
Al
7
12,5
26
13
Microestrutura típica das ligas Al-Si
Liga A356 (7%Si+0,35%Mg) com
tratamento térmico
200 x
Liga A413 (11%Si sem tratamento
térmico
200 x
27
Dendritas da fase 
600°C
Núcleos da fase

líquido
28
14
Dendritas da fase 
595°C
Crescimento de
dendritas de 
líquido
29
Dendritas da fase 
590°C
Crescimento de
dendritas de 
líquido
30
15
Dendritas da fase 
SDAS
585°C
Crescimento de
dendritas de 
SDAS
líquido
31
Dendritas da fase 
580°C
Crescimento de
dendritas de 
Líquido de
composição
eutética
32
16
Eutético  - Si
577°C
Formação de
células eutéticas
L  Al + Si
33
Eutético  - Si
577°C
Crescimento das
células eutéticas
L   + Si
34
17
Eutético  - Si
577°C
Crescimento das
células eutéticas
L   + Si
35
Eutéticos secundários ( + Mg2Si) ( + CuAl2)
( + Al5FeSi)
570°C
Solidificação dos
eutéticos
secundários nos
contornos de
células eutéticas
36
18
Microestrutura Típica
A356
Dendritas de fase 
MEV
37
Microestrutura Típica
A356
Eutético modificado  + Si
MEV - Ataque profundo
38
19
Microestrutura Típica
A356
1200 x
Eutético  + Si
Mg2Si
Si
 = Al8FeMg3Si6
Mg2Si
100 x
39
Microestrutura Típica
A356
┐
O processo de fratura
ocorre nas regiões
intercelulares onde existe a
precipitação dos eutéticos à
base de Fe e cobre
(contornos de células
eutéticas).
100 x
40
20
O problema dos intermetálicos à base de Fe
┐
┐
┐
A contaminação por Fe é
inevitável e é crescente com a
manipulação do banho metálico;
A morfologia em placa do Al5FeSi não é alterada pelo
tratamento térmico de
solubilização.
Existe uma redução drástica de
qualidade (Q index) com o
aumento do teor de Fe.
125 x
Em massa: 0,2% Fe = 0,47% -Al5FeSi
41
Microestrutura Típica
A356
┐
Os eutéticos à base de Fe não
são dissolvidos pelos
tratamentos térmicos.
┐
Assim, o teor de Fe na liga
determina a fração
volumétrica destes eutéticos,
e conseqüentemente, a
ductilidade máxima da liga.
Superfície de fratura em liga com
alto teor de Fe (1,3%)
100 x
42
21
Tratamentos de metal líquido
realizados em ligas Al-Si para
fundição
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para
fundição
┐
Em ligas Al-Si comerciais aplicam-se os seguintes
tratamentos de metal líquido:
┐
Desgaseificação;
┐
Modificação do eutético Al-Si;
┐
Refino de grãos e
┐
Limpeza e retenção de inclusões de óxidos.
44
22
Desgaseificação
Formação das microporosidades
┐
O alumínio líquido apresenta elevada solubilidade de
hidrogênio (H). A forma mais comum de absorção de
hidrogênio decorre da umidade do ar, pela reação:
H2O (v)+ 2/3 Al (L) 1/3 Al2O3 + 2H
Hidrogênio dissolvido
no metal líquido
46
23
Formação das microporosidades
Elevada solubilidade de H no
estado líquido e baixa no estado
sólido (somente 5% do H é solúvel
no sólido);
Conseqüência é uma elevada
tendência à formação de
microporosidades na peça
solidificada.
47
Efeito das microporosidades

Microporosidades dispersas homogeneamente pelo fundido (decorrentes
do elevado teor de hidrogênio no líquido).
50 x
48
24
Efeito das microporosidades
┐
A presença de
microporosidades
decorrentes de
hidrogênio promove
redução da ductilidade
(A%), da resistência
mecânica (LE 0,2% e LR) e
da resistência à fadiga.
49
Desgaseificação
┐
Desgaseificação com gás nitrogênio e rotor:
┐
Promove a geração de uma “nuvem” de bolhas de nitrogênio
de pequeno diâmetro com maior tempo de permanência no
banho e pequena agitação da superfície (turbulência).
┐
O processo possui elevada eficiência de desgaseificação
(remoção de hidrogênio dissolvido no líquido) e na limpeza de
inclusões de óxidos em suspensão.
50
25
Desgaseificação
Rotor de desgaseificação sobre o
forno de espera
Demonstração do rotor de
desgaseificação em água
51
Desgaseificação
Como a atividade de hidrogênio
no banho de Al é maior que no
gás (N2), ocorre difusão de
hidrogênio do banho para a
bolha de nitrogênio.
H
N2
Rotor
desgasseificador
N2
Al líquido
52
26
Desgaseificação
Efeito do tempo de desgaseificação (min) em rotor sobre a macroestrutura
de corpos-de-prova solidificados sob vácuo.
Tempos em minutos
0 – após fusão
2 – 2 minutos de rotor
3 – 3 minutos de rotor
4 – 4 minutos de rotor
6 – 6 minutos de rotor
7 – 7 minutos de rotor
53
Modificação do eutético Al-Si
27
Modificação do eutético
Ligas fundidas Al-Si
┐
Efeito da modificação do eutético Al-Si:
┐
Diminui o tamanho das partículas de silício do eutético e
altera a morfologia destas partículas de acicular para
fibrosa,
┐
A alteração de morfologia e o refino das partículas aumenta
a ductilidade das ligas e
┐
Efeito colateral importante: aumento do nível de
microporosidades.
55
Modificação do eutético
Ligas fundidas Al-Si
┐
Modificação do eutético Al-Si com Estrôncio (Sr):
┐
Adição típica 0,01% Sr na forma de ante liga Al-10% Sr,
┐
Baixa reatividade com cadinhos,
┐
Baixa pressão de vapor tornando o efeito do
tratamento longo (de 2 a 4 horas),
┐
Apresenta problemas de supermodificação para
adições superiores a 0,025%.
56
28
Modificação do eutético Al-Si
Adição de Al-10%Sr
Sino de grafita
Adição de Al-10Sr por meio de
sino de grafita no banho de Al
Adição típica: 100 g de Al-10Sr
para 100 kg de liga
Banho de Al líquido
57
Modificação do eutético
MO
Liga: Al- 7% Si –0,3% Mg (A356)
Liga: Al – 11%Si (A413)
LR
[MPa]
A%
[%]
LR
[MPa]
A%
[%]
Acicular
(sem modificação)
140
4
120
4
Fibrosa
(modificada)
150
12
130
14
Estrutura do eutético
58
29
Modificação do eutético Al-Si
MO
┐
Tratamento de modificação:
Sem modificação
200 x
Modificado com Sr
200 x
59
Sem modificação
Modificação do eutético
MEV
250 x
1000 x
500 x
2000 x
60
30
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
Fratura frágil – baixa ductilidade (1% - 2%)
400 X
Sem modificação
61
Modificado com Sr
Modificação do eutético
MEV
250 x
2000 x
500 x
4000 x
62
31
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
Fratura dúctil – maior ductilidade (5% - 10%)
400 X
Modificado com Sr
63
Tratamentos térmicos em ligas Al-Si
para fundição
32
Ligas tratáveis termicamente
┐
Em aplicações de construção mecânica que requerem
limites de escoamento superiores a 150 MPa são
empregadas ligas fundidas tratáveis do sistema Al-Si
(contendo Cu, Mg ou Zn) submetidas aos tratamentos
térmicos de solubilização e envelhecimento.
┐
O envelhecimento é, normalmente, o tratamento T6.
65
Ligas tratáveis termicamente
Endurecidas por meio
dos tratamentos
térmicos de
solubilização e
envelhecimento
66
33
Ligas tratáveis termicamente
┐
São endurecidas por meio dos tratamentos
térmicos de solubilização e de
envelhecimento.
┐
O mecanismo de endurecimento é a
dispersão de partículas coerentes pela
matriz, visando restringir a movimentação de
discordância e aumentar a resistência
mecânica.
MET 100.000x
67
Ligas tratáveis termicamente
┐
Os precipitados endurecedores são: Mg2Si, CuAl2 e Zn. Assim a
liga tratável termicamente a liga precisa conter em sua
composição:
┐
Cu
┐
Mg e Si
┐
Zn e Mg
Partículas coerentes de CuAl2 (’)
Partículas coerentes de Mg2Si (’)
Partículas coerentes de Zn2Mg (’)
68
34
Solubilização e envelhecimento
Solubilização
Temperatura

Envelhecimento
T6 em 7149
Temperatura e tempo de envelhecimento
definidos pela resistência mecânica (T4, T6
ou T7)
Resfriamento ao
ar
Resfriamento em
água
 + (´´e ´)
+

tempo
69
Endurecimento por precipitação
Solubilização
┐
No caso das ligas Al-Si-Mg, o tratamento de
solubilização (entre 470°C e 540°C) promove a redução
de segregação interdendrítica, dissolução de Mg e a
esferoidização das partículas de Si.
┐
Todas as etapas do tratamento (aquecimento, residência
e resfriamento) deste ciclo térmico afetam as
propriedades mecânicas finais do fundido.
70
35
Endurecimento por precipitação
Solubilização
Efeito do tempos de
solubilização (540°C)
nas partículas de Si
em liga A356:
(a)- 1,5 min
(b)- 5,5 min
(c)- 19,5 min
(d)- 6 h
71
Endurecimento por precipitação
Solubilização
72
36
Envelhecimento (T6)
┐
T6 representa a resistência
máxima, relacionada à maior e
mais homogênea dispersão de
precipitados coerentes e semicoerentes.
W
W
MET 200.000x
73
Dispersão de precipitados ´ (Mg2Si) em liga
A356
Tamanho das partículas da
fase Mg2Si precipitada em
liga A356 solubilizada a
535°C:
170°C - 60 minutos
190°C - 60 minutos
205°C - 60 minutos
74
37
Referências
1)
2)
ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993
3)
4)
Fuoco, R. Curso de fundição de ligas de alumínio - Acervo técnico IPT
5)
Mohanti, P. S.; Gruzleski, J. E. mechanism of grain refinement in aluminum Acta Metall. Mater v.43 n.5
p. 2001-2012 1995
6)
Closset B.; Gruzleski, J. E. Structure and properties of hypoeutectic Al-Si-Mg alloys modified with pure
strontium Met. Trans. A. june 1982 p. 945
7)
8)
Moreira, M. F. Acervo de Relatórios técnicos IPT
9)
Fuoco, R.; Corrêa E. R. Incipient melting in heat treatment of Al-Si-Mg and Al-Si-Cu alloys AFS
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Gruzleski, J. E. ; Closset, B. M. The treatment of liquid aluminum-silicon alloys The American
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Sigworth, G. K production of High quality strutural casting AFS International Conference in Aluminum
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Moreira, M.F.; Fuoco R. Aspectos da fratura por fadiga em componentes fundidos em ligas de
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75
38