UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE GISELE FABIANE COSTA ALMEIDA

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1 UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE GISELE FABIANE COSTA ALMEIDA ESTUDO DA LIGA Al-Si HIPOEUTÉTICA FUNDIDA EM MOLDES DE AREIA VERDE: EFEITO DA ADIÇÃO DE REFINADORES E MODIFICADORES DE GRÃO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS São Paulo 2009

2 GISELE FABIANE COSTA ALMEIDA ESTUDO DA LIGA Al-Si HIPOEUTÉTICA FUNDIDA EM MOLDES DE AREIA VERDE: EFEITO DA ADIÇÃO DE REFINADORES E MODIFICADORES DE GRÃO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial à obtenção do titulo de Mestre Profissional em Engenharia de Materiais. ORIENTADOR: PROF. DR. ANTONIO AUGUSTO COUTO São Paulo 2009

3 GISELE FABIANE COSTA ALMEIDA ESTUDO DA LIGA Al-Si HIPOEUTÉTICA FUNDIDA EM MOLDES DE AREIA VERDE: EFEITO DA ADIÇÃO DE REFINADORES E MODIFICADORES DE GRÃO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial à obtenção do titulo de Mestre Profissional em Engenharia de Materiais. Aprovado em 12 de agosto de BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Antonio Augusto Couto Universidade Presbiteriana Mackenzie Prof. Dr. Jan Vatavuk Universidade Presbiteriana Mackenzie Prof. Dr. Francisco Piorino Neto CTA Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial

4 À Deus acima de tudo por ter conseguido chegar até aqui. Aos meus pais e familiares por todo apoio e incentivo nesta jornada.

5 AGRADECIMENTOS trabalho. Ao Dr. Antônio Augusto Couto pela orientação e apoio para realização deste Ao Prof. Jefferson Malavazi do SENAI de Osasco e aos Eng. Fabio de Oliveira Pereira e Walmir Oliveira da Costa da Fundição Comercial Alvorada Ltda. pela atenção dispensada nas visitas técnicas realizadas. Ao Prof. Dr. Jan Vatavuk da Universidade Presbiteriana Mackenzie e ao Prof. Dr. Francisco Piorino Neto do CTA Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial pelas sugestões dadas no exame de qualificação para o enriquecimento do trabalho. Aos funcionários da Universidade Mackenzie, Nilton Inácio Domingues Junior, do Laboratório de Fundição por todo apoio na realização das inúmeras fusões, Luiz Henrique Silveira e Abner Cabral Neto, que auxiliaram na execução de ensaios e a todos os demais que contribuíram de alguma forma para o desenvolvimento da parte experimental. Ao MACKPESQUISA pela bolsa concedida e pelo apoio para participação no 18º CBECiMat Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências dos Materiais À Associação Brasileira do Alumínio ABAL, à Metalur Ltda., à Companhia Industrial Fluminense e à Alfa Trend - Indústria e Comércio Ltda. pelo apoio e pelo material utilizado neste trabalho. À Professora Claudia Cristina de Magalhães pelo apoio na revisão da língua inglesa no abstract do trabalho.

6 RESUMO Neste trabalho foram investigadas a microestrutura e as propriedades mecânicas da liga Al-Si hipoeutética (7%Si) fundida em molde de areia verde. Dentre as ligas de alumínio, cerca de 90% tem o silício como principal elemento de liga. O processo de fundição em areia verde é amplamente utilizado devido a ser um processo simples, versátil e de baixo custo. Contudo, para se obter um controle da microestrutura e das fases constituintes é necessário a utilização de refinadores de grão do alumínio α e modificadores do silício eutético β. O objetivo deste trabalho foi identificar os efeitos do refino de grão do alumínio e da modificação do silício eutético nas propriedades mecânicas da liga Al-7%Si. Foram feitas adições diversas dos refinadores Nucleant 100, à base de titânio e boro, e TiBAl (5/1) e dos modificadores à base de sais de sódio e a liga SrAl 10%. A liga sem adições de modificadores apresentou o silício eutético na forma de plaquetas. A adição dos modificadores de grão, tanto à base de sódio como estrôncio, acarretou uma mudança na morfologia do silício eutético, tornando-o com uma aparência menos angular e mais arredondada. O excesso de sódio na modificação conduz a uma diminuição da ductilidade da liga. As ligas modificadas com estrôncio apresentam uma leve diminuição no limite de escoamento e um aumento mais significativo do limite de resistência e do alongamento. Estas propriedades estão diretamente relacionadas com o grau de modificação da liga. A adição de refinadores de grão, tanto o Nucleant 100 como o TiBAl melhoram os limites de escoamento e de resistência e o alongamento da liga, com ou sem adição de modificador. Palavras-chave: Al-Si, fundição em areia, refino de grão, modificação.

7 ABSTRACT In this paper the microstructure and the mechanical properties of the hypoeutectic Al-Si alloy (7%Si) casted in a green sand mold were investigated. About 90% of the aluminum alloys have presented the silicon as the main element. The process of green sand casting is largely used due to its facility, versatility and low cost. However, to reach a more refined microstructure and component phases with expected morphology, it is necessary to use aluminum α grain refiners and the eutectic β silicon modifier. The aim of this paper is to identify the effects of the aluminum grain refinement and the eutectic silicon modification at the mechanical properties of the alloy Al-7%Si. There were made several additions of the Nucleant 100 (titanium and boron based) and TiBAl refiner (5/1) and sodium salt based and the SrAl 10% alloy modifiers. The alloy with no eutectic silicon modifiers addition presented the eutectic silicon as a plate-like structure. The addition of grain modifiers, both sodiumbased and strontium based, promotes a change in the eutectic silicon morphology, making it have a less angular and more rounded appearance. The overage of sodium in the modification leads to a reduction in the alloy ductility. Strontium modified alloys present a mild reduction in the yield strength with a significant improvement in the tensile strength and elongation. These properties are strictly connected with the alloy modification rate. The addition of grain refiners, not only the Nucleant 100 but also the TiBAl improves the yield and ultimate strength and elongation, with or without the modifier addition.

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Gráfico 1: Distribuição da produção mundial de alumínio primário informada em Gráfico 2: Evolução da produção mundial de alumínio primário informada de 2000 a Gráfico 3: Variação da densidade e do volume específico do alumínio puro com a elevação da temperatura Gráfico 4: Diagrama de fases alumínio-silício Gráfico 5: Representação da composição da liga A356 do diagrama de fases Al-Si Fluxograma 1: Classificação dos processos de fundição Fotografia 1: Vazamento do metal líquido em molde tipo coquilha Fotografia 2: Molde utilizado no processo de fundição em casca ou Shell Molding Fotografia 3: Molde em areia e silicato de sódio com injeção de CO Fotografia 4: Equipamento para mistura de areia e resina utilizadas para moldagem Fotografia 5: Injetora de capacidade de 400 t, de câmara fria Fotografia 6: Vista geral do processo de moldagem para fundição em areia verde Micrografia 1: Microestrutura de grãos da seção transversal de dois lingotes de liga de alumínio. (A) Sem modificação e refino de grão. (B) Com modificação e refino de grão Micrografia 2: a) Microestrutura da liga não-modificada, correspondente à solidificação em areia, e b) ampliação da região eutética acicular de Al-Si Micrografia 3: a) Microestrutura da liga modificada, correspondente à solidificação em areia, b) ampliação da região eutética fibrosa Al-Si Micrografia 4: Microestruturas eutéticas típicas de ligas completamente solidificadas na condição não atacada: (a) pureza comercial não modificada; (b) alta pureza não modificada; (c) pureza comercial modificada com estrôncio; (d) alta pureza modificada com estrôncio Gráfico 6: Adições de estrôncio diminuindo drasticamente o número de grãos que nucleiam (a linha sólida é uma linha de tendência). A barra de erro mostra desvio padrão de ± Gráfico 7: Solubilidade do hidrogênio no alumínio em função da temperatura Gráfico 8: Redução do teor de hidrogênio dissolvido no banho com o tempo de desgaseificação Esquema 1: Esquema de uma unidade de desgaseificação contínua (rotor)

9 Esquema 2: Esquema de uma unidade contínua de desgaseificação (SNIF spinning nozzle inert flotation) Fotografia 7: Forno a indução utilizado para a fusão das ligas da pesquisa Fotografia 8: Pirômetro digital de imersão para medir temperaturas em metais não ferrosos. 57 Fotografia 9: Misturador de areia utilizado na preparação do molde de areia verde Esquema 3: Esquema dos componentes essenciais de um misturador de areia convencional. 59 Fotografia 10: Modelo de madeira e molde de areia verde dos corpos-de-prova para ensaios de tração das ligas fundidas Fotografia 11: Corpos-de-prova fundidos utilizados para os ensaios de tração Fotografia 12: Máquina universal de ensaios mecânicos onde foram realizados os ensaios de tração Micrografia 5: Micrografia típica da amostra B sem adição de modificador ou refinador e sem desgaseificação (aumento de 50X) Micrografia 6: Micrografia típica da amostra B sem adição de modificador ou refinador e sem desgaseificação (aumento de 200X) Micrografia 7: Micrografia típica da amostra H sem adição de modificador ou refinador e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 8: Micrografia típica da amostra H sem adição de modificador ou refinador e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Micrografia 9: Micrografia típica da amostra L sem adição de modificador ou refinador e desgaseificada com adição de Argônio (aumento de 50X) Micrografia 10: Micrografia típica da amostra L sem adição de modificador ou refinador e desgaseificada com adição de Argônio (aumento de 200X) Micrografia 11: Micrografia típica da amostra G com adição do refinador de grão TiBAl 5/1 e desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 100X) Micrografia 12: Micrografia típica da amostra G com adição do refinador de grão TiBAl 5/1 e desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Gráfico 9: Comparação das propriedades mecânicas de limite de resistência (A) e alongamento (B) de diferentes amostras com variação na quantidade de modificador a base de sais de sódio

10 Micrografia 13: Micrografia típica da liga D com adição de modificador a base de sais de sódio e do refinador de grão Nucleant 100, desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 14: Micrografia típica da liga D com adição de modificador a base de sais de sódio e do refinador de grão Nucleant 100, desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Micrografia 15: Micrografia típica da liga O com adição de 0,25% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de Argônio após o modificador (aumento de 50X) Micrografia 16: Micrografia típica da liga O com adição de 0,25% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de Argônio após o modificador (aumento de 200X) Micrografia 17: Micrografia típica da liga T desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,25% do modificador a base de sais de sódio (aumento de 50X) Micrografia 18: Micrografia típica da liga T desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,25% do modificador a base de sais de sódio (aumento de 200X) Micrografia 19: Micrografia típica da liga A com adição de 0,50% de modificador a base de sais de sódio e 0,15% do refinador Nucleant 100 (aumento de 50X) Micrografia 20: Micrografia típica da liga A com adição de 0,50% de modificador a base de sais de sódio e 0,15% do refinador Nucleant 100 (aumento de 200X) Micrografia 21: Micrografia típica da liga N com adição de 0,50% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de Argônio após o modificador (aumento de 50X) Micrografia 22: Micrografia típica da liga N com adição de 0,50% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de Argônio após o modificador (aumento de 200X) Micrografia 23: Micrografia típica da liga R desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,50% do modificador a base de sais de sódio (aumento de 50X) Micrografia 24: Micrografia típica da liga R desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,50% do modificador a base de sais de sódio (aumento de 200X)

11 Micrografia 25: Micrografia típica da liga I com adição de 1% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 26: Micrografia típica da liga I com adição de 1% de modificador a base de sais de sódio e desgaseificada com adição de pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Gráfico 10: Comparação das propriedades mecânicas de limite de resistência (A), alongamento (B) e limite de escoamento (C) de diferentes amostras com variação na quantidade de modificador SrAl 10% Micrografia 27: Micrografia típica da liga P desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,05% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X) Micrografia 28: Micrografia típica da liga P desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,05% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 29: Micrografia típica da liga U desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,05% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X) Micrografia 30: Micrografia típica da liga U desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,05% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 31: Micrografia típica da liga J com adição de 0,10% do modificador SrAl 10% e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 32: Micrografia típica da liga J com adição de 0,10% do modificador SrAl 10% e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Micrografia 33: Micrografia típica da liga Q desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,10% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X) Micrografia 34: Micrografia típica da liga Q desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,10% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 35: Micrografia típica da liga F com adições de 0,15% do modificador SrAl 10% e de 0,15% do refinador de grão TiBAl 5/1, desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 36: Micrografia típica da liga F com adições de 0,15% do modificador SrAl 10% e de 0,15% do refinador de grão TiBAl 5/1, desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Micrografia 37: Micrografia típica da liga M desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,15% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X)

12 Micrografia 38: Micrografia típica da liga M desgaseificada com adição de Argônio após a adição de 0,15% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 39: Micrografia típica da liga S desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,15% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X) Micrografia 40: Micrografia típica da liga S desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,15% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 41: Micrografia típica da liga E com adição de 0,50% do modificador SrAl 10% e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 50X) Micrografia 42: Micrografia típica da liga E com adição de 0,50% do modificador SrAl 10% e desgaseificada com pastilha de hexacloretano (aumento de 200X) Micrografia 43: Micrografia típica da liga V desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,85% de modificador SrAl 10% (aumento de 100X) Micrografia 44: Micrografia típica da liga V desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 0,85% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X) Micrografia 45: Micrografia típica da liga X desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 2,0% de modificador SrAl 10% (aumento de 50X) Micrografia 46: Micrografia típica da liga X desgaseificada com adição de Argônio antes da adição de 2,0% de modificador SrAl 10% (aumento de 200X)

13 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Produção mundial de alumínio primário Tabela 2 - Classificação do alumínio e suas ligas para fundição Tabela 3 - Resumo das principais ligas de alumínio utilizadas em fundição Tabela 4 - Propriedades mecânicas mínimas para a liga fundida A356 produzida por vários processos Processo de fundição Tabela 5 - Composição química da liga de alumínio investigada neste trabalho Tabela 6 - Composição química da liga TiBAl utilizada como refinador de grão Tabela 7 - Composição química da liga SrAl utilizada como modificador do silício Tabela 8 - Ligas Al-7%Si com adições de refinadores e modificadores Tabela 9 - Propriedades mecânicas obtidas em ensaios de tração e dureza das ligas Al- 7%Si com adições de refinador e modificadores Tabela 10 - Comparação entre as amostras sem adição de refinadores ou modificadores variando a desgaseificação Tabela 11 Comparação entre as amostras sem modificador, desgaseificadas com hexacloretano com e sem adição de refinador de grão Tabela 12 - Propriedades mecânicas obtidas em ensaios de tração e dureza Vickers das ligas Al-7%Si modificadas com Coveral 36A a base de sais de sódio Tabela 13 - Propriedades mecânicas obtidas em ensaios de tração e dureza das ligas Al- 7%Si modificadas com estrôncio

14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO JUSTIFICATIVA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O ALUMÍNIO AS LIGAS DE ALUMÍNIO Os elementos de liga LIGAS DE ALUMÍNIO PARA FUNDIÇÃO LIGAS DE ALUMINIO-SILICIO A liga A O PROCESSO DE FUNDIÇÃO Tipos Principais de Processos de Fundição de Ligas de Alumínio Tipos de Fornos para Fundição Fundição em molde de areia verde METALURGIA DA FUNDIÇÃO TRATAMENTOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO LÍQUIDO Refinadores de grãos Modificadores do eutético Modificação com estrôncio Fluxos DESGASEIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMINIO MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS MÉTODOS RESULTADOS E DISCUSSÃO CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 97

15 14 1 INTRODUÇÃO As ligas de alumínio são as mais versáteis de todas as ligas empregadas em fundição. Suas principais características de fundição são: baixa viscosidade, o que facilita o preenchimento de seções finas; baixa temperatura de fusão, possibilitando o emprego de moldes metálicos; elevado coeficiente de transferência de calor, possibilitando a realização de ciclos de fundição curtos; somente o hidrogênio apresenta solubilidade significativa em ligas de alumínio e seu teor pode ser controlado pelos processos de desgaseificação; a maior parte das ligas de alumínio não apresenta tendências ao fenômeno de trinca a quente e são ligas que não apresentam interações ou reações do tipo metal-molde e consequentemente, apresentam bom acabamento superficial após a fundição. (MOREIRA; FUOKO, 2007). O alumínio fundido dissolve muitos outros elementos como o silício. Quando o alumínio se resfria e se solidifica, alguns destes constituintes da liga podem ser retidos em solução sólida. A principal função das adições destes elementos nas ligas de alumínio é aumentar a resistência mecânica sem prejudicar as outras propriedades. Assim, novas ligas têm sido desenvolvidas combinando as propriedades adequadas a aplicações específicas (ABAL, 2007). A microestrutura final de uma liga fundida é muito importante, pois influencia suas propriedades mecânicas. Grandes grãos colunares são indesejáveis e o refino grão tem por objetivo suprimir a formação destes grãos. O refinador de grão é usualmente adicionado via ligas mestres e introduz muitas partículas, que agem como substratos para a nucleação do alumínio primário (Al-α). Quando o refinamento de grão é bem sucedido, finos grãos equiaxiais de Al-α são formados e conduzem a uma melhoria da fundibilidade e das propriedades mecânicas (PIO et al, 2005). O refino de grão é considerado um dos processos mais importantes de tratamento das ligas alumínio-silício para fundição. A adição de refinadores de grão para melhorar as propriedades mecânicas das ligas fundidas é relativamente bem disseminada na indústria do alumínio. O refino de grão de ligas de alumínio é responsável por um grande número de vantagens técnicas e econômicas, tais como: redução de trincamento no lingote, melhor homogeneidade do lingote, redução da suscetibilidade ao trincamento a quente e melhoria significante das propriedades mecânicas. Os principais elementos refinadores de grão utilizados atualmente em ligas de alumínio são: titânio, boro e estrôncio (SRITHARAN, 1997; McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004). O tamanho de grão das ligas de alumínio

16 15 fundidas depende da quantidade de núcleos de grãos no líquido e da velocidade de solidificação da liga. Assim, a diminuição do tamanho de grão (refino de grão) nestas ligas só é possível com o aumento do número de núcleos no líquido ou com o aumento da velocidade de resfriamento. Este mecanismo de multiplicação da quantidade de núcleos ocorre na etapa de crescimento das dendritas onde os braços das mesmas são quebrados e continuam crescendo como novos núcleos, ou seja, promovendo o refino da microestrutura. No caso de peças resfriadas lentamente (molde de areia) ou peças de grandes dimensões, o refino de grão é realizado com a adição de pós à base de Al-Ti ou Al-Ti-B na liga líquida. A adição destes refinadores provoca a formação de partículas sólidas dispersas de Al 3 Ti que atuam como núcleos para os primeiros grãos decorrentes da solidificação. O refino de grão tem como objetivo principal o de reduzir os tamanhos das dendritas (grão da fase α pró-eutética), melhorando as condições de alimentação (e assim, a sanidade e estanqueidade das peças fundidas), as propriedades mecânicas (limites de escoamento e de resistência), bem como a tendência a formação de trincas a quente. A grande maioria dos componentes fundidos em ligas de alumínio emprega ligas do sistema Al-Si. Ocorre que a microestrutura bruta de fundição destas ligas apresenta partículas de Si com morfologia acicular grosseira, que diminui a sua ductilidade. A modificação consiste em um tratamento do banho de alumínio silício pela adição de agentes modificadores da morfologia das partículas de Si. Os agentes modificadores mais empregados são: o Na (Sódio), o Sr (estrôncio), o Ca (cálcio), o K (potássio) e o Sb (antimônio). Adições destes elementos promovem fortes alterações no crescimento da fase β (silício) do eutético: a fase β passa a exibir uma morfologia mais fibrosa (ou arredonda) menos prejudicial e mais refinada, aumentando a ductilidade das ligas Al-Si fundidas (MOREIRA, FUOKO, 2007; COUTINHO et al, 2008). Independente do tratamento de modificação, elevadas velocidades de resfriamento, como as obtidas em moldes metálicos, contribuem para refinar o tamanho dos grãos e a estrutura do próprio eutético, como ocorre quimicamente.

17 OBJETIVO Este estudo tem como objetivo investigar os efeitos da adição de refinadores e modificadores de grão na liga Al-Si hipoeutética (7%Si) fundidas em molde de areia verde e a sua influência nas propriedades mecânicas. Com isso, pretende-se entender o efeito da adição de inoculantes e nas características microestruturais nesta liga de alumínio fundida. Este estudo investigou os efeitos da adição de titânio, boro, sódio e estrôncio no refino e na modificação dos grãos de ligas Al-Si fundidas em molde de areia verde e a sua influência nas propriedades mecânicas em tração e na dureza. Com este trabalho pretende-se obter características tecnológicas otimizadas de acordo com a aplicação do produto final. 1.2 JUSTIFICATIVA Este trabalho é de grande importância, pois as ligas de alumínio nas quais o silício é o principal elemento de liga são amplamente utilizadas em peças fundidas em moldes de areia verde, e o conhecimento do efeito da adição de refinadores e modificadores de grão nas propriedades mecânicas destas ligas é uma contribuição técnica relevante. Esta série de ligas de Al-Si é a mais utilizada e oferece à indústria uma grande variedade de combinações de resistência mecânica, resistência à corrosão e ao ataque de substâncias químicas, condutibilidade elétrica, usinabilidade, ductibilidade, formabilidade, entre outros benefícios. No caso das ligas de fundição, as quais adquirem suas propriedades na condição fundida, não é possível alcançar uma melhora nas propriedades mecânicas através de processos posteriores de conformação mecânica, o que é realizado em materiais trabalháveis (ABAL, 2007). Este estudo pode também contribuir para que empresas do setor consigam obter um material com vantagens técnicas e econômicas, incluindo uma melhora significativa das propriedades mecânicas. Uma estrutura de finos grãos equiaxiais conduz a diversos benefícios, tais como a distribuição uniforme de segundas fases e da microporosidade, o aumento da tensão de escoamento, da tenacidade, da usinabilidade e da estampagem profunda (PIO et al, 2005).

18 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capitulo foram abordados todos os temas relacionados à pesquisa bibliográfica, nos quais foram embasadas todas as atividades experimentais e também serviu de direcionamento para a todo o projeto. O estudo do alumínio e suas ligas utilizadas para fundição e os processos utilizados para a fundição dos mesmos estão abordados de forma ampla no texto a seguir. 2.1 O ALUMÍNIO O alumínio é um metal branco acinzentado maleável e dúctil, sendo um dos elementos metálicos mais abundantes na crosta terrestre. Pertence ao grupo 13 da tabela periódica. A alumina (óxido de alumínio, Al 2 O 3 ), encontrada em minérios, já era usada por Gregos e Romanos na medicina da época. Em 1787, Lavoisier suspeitou que esta substância fosse um óxido de um metal desconhecido. Seu nome foi proposto por Davy em 1807 como Alumium, posteriormente trocado para Aluminium (alumínio). O metal alumínio foi isolado por Hans Christian Oersted em 1825, reagindo cloreto de alumínio (AlCl 3 ) com amálgama de potássio (uma liga de potássio e mercúrio), o aquecimento do amálgama formado de alumínio e mercúrio com pressão reduzida, separa o mercúrio (com menor ponto de ebulição) do alumínio (MERCK, 2007). Em 1859, Henri Sainte-Claire Deville anunciou melhorias no processo de obtenção, ao substituir o potássio por sódio e o cloreto simples pelo duplo. Posteriormente, com a invenção do processo Hall-Héroult em 1886, simplificou-se e barateou-se a extração do alumínio a partir do mineral. Este processo, juntamente com o processo Bayer, descoberto no mesmo ano, permitiram estender o uso do alumínio para uma multiplicidade de aplicações até então economicamente inviáveis (WIKIPÉDIA, 2007a). O alumínio é o terceiro elemento mais abundante no planeta perdendo somente para o oxigênio e silício. Na crosta terrestre, numa profundidade de 14 m, contém cerca de 8,1% de alumínio, mais devido a sua grande afinidade com o oxigênio raramente é encontrado livre, formando sempre óxidos ou silicatos. Suas aplicações industriais são relativamente recentes, sendo produzido em escala industrial a partir do final do século XIX. Quando foi descoberto verificou-se que a sua separação das rochas que o continham era extremamente difícil. Como conseqüência, durante algum tempo, foi considerado um metal precioso, mais

19 18 valioso que o ouro. Com o avanço dos processos de obtenção os preços baixaram continuamente até colapsar em 1889, devido à descoberta anterior de um método simples de extração do metal. Atualmente, um dos fatores que estimulam o seu uso é a estabilidade do seu preço, provocada principalmente pela sua reciclagem. Suas excelentes propriedades físico-químicas entre as quais se destacam o baixo peso específico, a resistência à corrosão, a alta condutibilidade térmica e elétrica e a infinita reciclagem apresenta uma ampla variedade de utilização, que o torna o metal não ferroso mais consumido no mundo (ABAL, 2007). O alumínio tem apresentado um dos maiores crescimentos de consumo, entre os diversos metais utilizados industrialmente, tornando-se, na atualidade, a segunda industria metalúrgica do mundo, superada apenas pela industria do aço (MALAVAZI, 2008). A produção mundial de alumínio primário informada está ilustrada na tabela 1 em milhões de toneladas. A distribuição desta produção por regiões está ilustrada no gráfico 1 e a evolução desta produção nos últimos anos no gráfico 2. Tabela 1 - Produção mundial de alumínio primário Produção de Alumínio Primário Informada (milhões de toneladas) Período Europa America Oriental Europa America do Ásia Oceania África / Ocidental Latina Norte Central Total Média Diária ,041 3,689 3,801 2,221 2,167 2,094 1,178 21,191 57, ,222 3,728 3,885 2,234 1,991 2,122 1,369 20,551 56, ,413 3,825 3,928 2,261 2,230 2,170 1,372 21,199 58, ,495 3,996 4,068 2,475 2,275 2,198 1,428 21,935 60, ,110 4,139 4,295 2,735 2,356 2,246 1,711 22,592 61, ,382 4,194 4,352 3,139 2,391 2,252 1,753 23,463 64, ,333 4,230 4,182 3,493 2,493 2,274 1,864 23,869 65, ,642 4,460 4,305 3,717 2,558 2,315 1,815 24,812 68, ,783 4,658 4,618 3,923 2,660 2,297 1,715 25,654 70,1 Fonte: International Aluminium Institute (2009)

20 19 Gráfico 1: Distribuição da produção mundial de alumínio primário informada em 2008 Gráfico 2: Evolução da produção mundial de alumínio primário informada de 2000 a 2008 O Brasil é um grande exportador de alumina e de alumínio primário devido às suas grandes reservas de bauxita de excelente qualidade e dos investimentos de extração do minério pelas grandes empresas que operam no país. A participação do Brasil no cenário das exportações tem como um dos fatores o baixo consumo per capita nacional, fazendo com que tenhamos um grande excedente disponível para exportação. Segundo a ABAL em 2006, 93,5% dos produtos de alumínio eram fundidos, 3,4% laminados e 3,1% extrudados.

21 20 O alumínio puro (99,99% de pureza) se funde a 660,5 ºC. Na medida em que se adicionam outros elementos de liga ocorre alteração no ponto de fusão, surgindo inclusive a formação de um intervalo de solidificação. O ponto de ebulição do alumínio é de ºC. Quanto maior a quantidade de óxidos de alumínio e impurezas dissolvidas no metal líquido maior a viscosidade para uma temperatura, ou seja, menor será a fluidez do alumínio. A densidade do alumínio puro no estado sólido é de 2,69 g/cm 3. Com a elevação da temperatura ocorre também a variação da densidade e do volume específico do alumínio conforme é mostrado no gráfico 3. A densidade do alumínio é alterada pela introdução de outros elementos, aumentando com a adição de ferro, manganês, cromo, cobre, níquel, titânio e zinco ou diminuindo com a adição de magnésio, silício e lítio (MALAVAZI, 2008). Gráfico 3: Variação da densidade e do volume específico do alumínio puro com a elevação da temperatura. 2.2 AS LIGAS DE ALUMÍNIO O alumínio fundido dissolve outros metais e substâncias metalóides como o silício (que atua como metal). Quando o alumínio se resfria e se solidifica, alguns dos constituintes da liga podem ser retidos em solução sólida. Esta distorção na estrutura atômica do metal cria tensões que podem fazer com que ela se torne mais rígida. Os átomos do soluto e do solvente podem ser visualizados em uma mesma rede cristalina regular formada por outros átomos em posições substitucionais ou intersticiais de tamanhos diferentes daqueles do elemento de liga principal. A principal função das adições destes elementos nas ligas de alumínio é a de aumentar a resistência mecânica sem prejudicar as outras propriedades.

22 21 Assim, novas ligas têm sido desenvolvidas combinando as propriedades adequadas a aplicações específicas (ABAL, 2007). O metal em temperaturas mais elevadas pode manter mais elementos de liga em solução sólida do que em temperaturas mais baixas. Conseqüentemente, quando resfriado, o metal tende a precipitar o excesso dos elementos de liga da solução. Este precipitado pode ser na forma de partículas duras, consistindo de compostos intermetálicos, tais como: CuAl 2 ou Mg 2 Si. Estes agregados de átomos metálicos tornam a rede cristalina ainda mais rígida e endurecem a liga. O mecanismo de endurecimento conhecido em metalurgia física como endurecimento por solução sólida pode ser explicado pela diferença entre os tamanhos dos raios do solvente e do soluto. Devido a essa diferença, os átomos do elemento de liga (soluto) impõem ao seu redor tensões e deformações no reticulado cristalino. Estes campos de tensões restringem a movimentação das discordâncias, endurecendo a liga. A descoberta do envelhecimento das ligas de alumínio que contém magnésio e silício conduziu ao desenvolvimento das principais ligas de alumínio estruturais utilizadas hoje na engenharia. Este foi um trabalho pioneiro no campo das ligas de alumínio-magnésio, amplamente utilizadas atualmente na indústria naval. Um dos aspectos que tornam as ligas de alumínio tão atraentes como materiais de construção mecânica é o fato de o alumínio poder combinar-se com a maioria dos metais de engenharia. Com essas associações, é possível obter características tecnológicas ajustadas de acordo com a aplicação do produto final. Para isto é preciso conhecer bem as vantagens e limitações de cada elemento para fazer a melhor seleção. Em geral, podemos dividir os elementos entre: Elementos que conferem à liga a sua característica principal (resistência mecânica, resistência à corrosão, fluidez no preenchimento de moldes, etc.); Elementos que têm função acessória, como o controle de microestrutura, de impurezas e traços que prejudicam a fabricação ou a aplicação do produto, os quais devem ser controlados no seu teor máximo (ABAL, 2007) Os elementos de liga Os elementos de ligas do alumínio mais usuais são: silício, cobre, ferro, magnésio, manganês, zinco e mais raramente encontram-se o níquel, titânio, cromo, lítio e zircônio para aplicações em ligas especiais. O silício diminui a contração de solidificação de 6,0 % do alumínio puro para 3,5 % nas ligas contendo 12,0 % de silício. Devido ao menor

23 22 intervalo de solidificação (comparado com outros elementos de liga), as ligas de Al-Si apresentam menor tendência a porosidades espalhadas, estas se concentrando apenas nas regiões de menor perda de calor. O silício propicia a solidificação em casca, ou seja, a solidificação progride das paredes do recipiente para o centro formando camadas culminando com um rechupe na ultima região solidificada. É muito utilizada para a fabricação de coletores de ar e peças que exigem estanqueidade. O silício também aumenta a resistência mecânica e ao desgaste da liga, bem como diminui o alongamento. Em fundição sob pressão, o silício aumenta a fluidez da liga favorecendo o preenchimento da cavidade do molde em peças complexas e de paredes finas (MALAVAZI, 2008). O ferro é normalmente considerado como impureza nas ligas de alumínio. Em ligas utilizadas em fundição sob pressão, até 1,5 % de ferro favorece o destacamento do produto do molde. Acima destes teores, torna a liga frágil, uma vez que aumenta a contração de solidificação da liga. O aumento do teor de Fe contribui para o aumento do tamanho e da densidade de intermetálicos contendo Fe, impactando diretamente no mecanismo de fratura e para o aumento da porosidade. Ambos os fatores contribuem para a diminuição da ductilidade da liga, principalmente nas ligas Al-Si. O limite de utilização está entre 0,6% a 1,0% (TAYLOR, 2004). O cobre eleva a resistência mecânica das ligas de alumínio tornando-a apta para aplicações em produtos submetidos a esforços de fadiga (esforços repetitivos). O cobre também age como elemento endurecedor em peças que serão submetidas a tratamentos térmicos. O magnésio aumenta a resistência à corrosão da liga bem como endurecimento desta. Devido à baixa densidade do magnésio, as ligas de alumínio-magnésio são mais leves que o alumínio puro, o que tem contribuído para o aumento da sua utilização. O zinco favorece a fluidez, usinabilidade e estabilidade dimensional. O zinco também reduz a resistência à corrosão. Acima de 0,9 %, o zinco age como impureza, tornando a liga frágil. O manganês aumenta a condutividade térmica das ligas de alumínio bem como minimiza a contração de solidificação. Em ligas contendo ferro, o manganês age como elemento neutralizador diminuindo a tendência às trincas. Níquel, titânio, lítio, cromo e zircônio são elementos de liga para aplicações mais nobres, tais como peças para indústria aeronáutica e aeroespacial onde as exigências de confecção e controle são maiores. Todos os elementos de liga alteram o ponto de fusão do alumínio, por exemplo, a liga de alumínio com 13 % de silício se funde a 577 C enquanto o alumínio puro a 660,4%. Em ligas onde se tem mais do que um elemento de liga como, por exemplo, silício e cobre,

24 23 tem-se um intervalo de solidificação, ou seja, um período em que sólido e líquido coexistem durante a solidificação, sem que ocorra diminuição da temperatura. Normalmente, em ligas comerciais, os elementos de liga estão em determinadas proporções segundo uma determinada especificação (SAE, DIN, etc.) e que prevêem um limite tolerável destes mesmos elementos bem como impurezas que não comprometem as características mecânicas e químicas das ligas. A escolha de uma liga para um determinado processo é em função de sua possibilidade de aplicação para uma mesma família de produtos, que permite a utilização de normas específicas onde, além da composição química, também estão bem definidas as características mecânicas previstas (MALAVAZI, 2008). A composição química do alumínio e suas ligas são expressas em percentagem, obedecendo a Norma NBR 6834 da ABNT. Esta norma abrange sistemas de classificação das ligas trabalháveis, das ligas para fundição, peças, lingotes e de alumínio primário, além da densidade nominal das ligas trabalháveis de alumínio (ABAL, 2007). 2.3 LIGAS DE ALUMÍNIO PARA FUNDIÇÃO Diferentemente dos materiais trabalháveis, que estão sujeitos a uma variação dos processos de aquecimento e de resfriamento, as ligas de fundição adquirem suas propriedades na condição de fundida (em alguns casos, com tratamento térmico) e, conseqüentemente, um grupo diferente de ligas tem sido formulado para a produção de peças fundidas. As ligas empregadas nas aplicações gerais de engenharia freqüentemente contêm silício para melhorar suas características de fundição, tais como fluidez (no vazamento) e resistência a trincas de contração (quando o metal quente se solidifica e se contrai). O cobre também é freqüentemente utilizado como um elemento de liga para melhorar as propriedades mecânicas, proporcionando maior dureza e resistência exigidas em serviço. As ligas alumíniomagnésio apresentam maiores problemas na fundição, mas possuem boa resistência mecânica e ductilidade. Estas ligas são amplamente utilizadas, particularmente em ambientes agressivos como, por exemplo, em peças e acessórios de navios. Uma pequena proporção de magnésio também está presente em algumas ligas em conjunto com silício para torná-la mais suscetível a tratamentos térmicos. As principais características das ligas fundidas de alumínio são: - baixa temperatura de fusão; - forte tendência a oxidação, criando uma camada protetora;

25 24 - baixa densidade; - alta condutividade térmica - elevado coeficiente de dilatação. Um sistema padrão de quatro dígitos é designado para alumínio e ligas fundidas de alumínio. O primeiro dígito indica o grupo do maior elemento de liga, como mostrado na tabela 2 (ASM, 1997). Na designação do tipo 1XX.X, o segundo e o terceiro dígitos indicam o conteúdo mínimo de alumínio. O quarto dígito, após o ponto decimal, indica a forma do produto: 0 indica fundido e 1 denota lingote. Nas designações 2XX.X a 8XX.X (ligas de alumínio), o segundo e o terceiro digito não tem significância numérica, mas indicam as várias ligas do grupo. O digito a direita do decimal indica a forma do produto, similar ao que ocorre para as ligas do grupo 1XX.X. Ligas modificadas são identificadas com uma letra maiúscula precedendo a identificação numérica. Tabela 2 - Classificação do alumínio e suas ligas para fundição Série Principal elemento de liga 1XX.X 2XX.X 3XX.X 4XX.X 5XX.X 6XX.X 7XX.X 8XX.X Fonte: ASM, (1997). Alumínio não-ligado com, no mínimo, 99,00 % de pureza Cobre Silício, com cobre e/ou magnésio Silício Magnésio Não-usuais Zinco Estanho As ligas Al-Cu (série 200) caracterizam-se pela elevada resistência mecânica, possuem boa usinabilidade, apresentando, de uma maneira geral, baixa resistência à corrosão atmosférica e grande tendência à formação de microporosidades. Suas aplicações típicas são: peças estruturais, carcaças e pistões para motores a diesel. As ligas Al-Si (série 300) são as ligas de alumínio que apresentam as melhores características de fundição, motivo pelo qual cerca de 90% das peças fundidas em alumínio pertencerem à série 300. As ligas binárias apresentam elevada resistência à corrosão, boa soldabilidade, mas são de usinagem difícil. As ligas Al-Mg (série 500) caracterizam-se pela elevada resistência à corrosão e excelente usinabilidade, apresentando, por outro lado, moderada tendência a defeitos de

26 25 fundição e tendência à oxidação. Após tratamento térmico, estas ligas desenvolvem resistência mecânica elevada. Suas aplicações típicas envolvem: peças estruturais para a indústria química, de alimentos e naval. As ligas Al-Zn (série 700) são muito similares às ligas Al-Mg, principalmente quando apresentam Mg em sua composição química. Suas características de fundição são consideradas moderadas, devido a sua tendência à oxidação. As ligas Al-Sn (série 800) apresentam boa usinabilidade e boas propriedades antifricção. Suas aplicações típicas envolvem mancais, buchas e bronzinas (MOREIRA; FUOKO, 2007). A tabela 3 mostra um resumo das características e aplicações das principais ligas de alumínio utilizadas em fundição. Tabela 3 - Resumo das principais ligas de alumínio utilizadas em fundição. Ligas de Alumínio Utilizadas em Fundição Liga Características Aplicações Alumínio comercialmente puro com excelente resistência à corrosão e boa condutividade elétrica (57% IACS), não tratável termicamente. Fundição em molde permanente, areia e sob pressão Excelentes propriedades mecânicas em temperaturas elevadas e muito boa usinabilidade. Baixa resistência à corrosão. Fundição em molde permanente e areia Média resistência, boa usinabilidade. Baixa resistência à corrosão. Fundição em areia Resistência mecânica moderada e boas características de fundição e usinagem. Fundição em molde permanente e em areia Média resistência mecânica, com excelente fluidez, boa usinabilidade após tratamento térmico, boa estanqueidade sob pressão. Fundição em molde permanente e areia. C355.0 Similar a 355.0, mas com maior resistência mecânica, excelente característica de alimentação (ideal para peças fundidas espessas). Fundição em molde permanente e areia. Acessórios utilizados nas indústrias químicas e de alimentação, rotores, condutores elétricos e equipamentos industriais. Pistões e cabeçotes para aviões, motores a diesel e de motocicletas. Elementos estruturais de máquinas, equipamentos e aviação, cárter, rodas de ônibus e de aviões. Uso geral, além de revestimentos e caixas de equipamentos elétricos. Peças complexas ou sob tensão, cabeçote de cilindros, corpo de válvulas, camisa de água, união para mangueiras, acessórios para indústria de máquinas e na construção civil. Peças estruturais sob tensão, componentes de aviação e de mísseis, acessórios de máquinas e equipamentos, construção civil, fachadas e embarcações.

27 Média resistência mecânica, excelente fluidez e estanqueidade sob pressão, boa resistência à corrosão e usinabilidade. Fundição em molde permanente e areia Elevada resistência mecânica, excelente fluidez e resistência à corrosão. Fundição em molde permanente e areia Excelente estanqueidade sob pressão, resistência à corrosão e muito boa usinabilidade. Fundição sob pressão Bom acabamento superficial, muito boa usinabilidade, podendo ser anodizada. Fundição sob pressão. A380.0 Elevada resistência mecânica tanto em locais com temperaturas ambiente como elevadas, muito boa fluidez, boa estanqueidade sob pressão, usinabilidade e resistência à corrosão. Fundição sob pressão Excelente estanqueidade sob pressão e resistência à corrosão, baixa usinabilidade. Fundição sob pressão Baixa resistência mecânica, muito boa fluidez, excelente estanqueidade sob pressão e resistência à corrosão. Fundição em molde permanente, areia e sob pressão Excelente usinabilidade e resistência à corrosão, alta ductilidade, baixa fluidez e excelentes propriedades de acabamento superficial. Fundição sob pressão Excelente resistência mecânica, inclusive sob cargas de impacto, boas condições de anodização e de polimento, baixa fluidez, excelente usinabilidade e resistência à corrosão, mas suscetível à corrosão sob tensão em temperaturas acima de 120ºC. Fundição em areia Boas propriedades mecânicas, envelhece naturalmente, se retempera após soldagem, excelente usinabilidade e boa resistência à corrosão. Fundição em areia. Fonte: ABAL Associação Brasileira do Alumínio (2007). Peças fundidas com seções finas, cilindros, válvulas, cabeçotes, blocos de motores, ferramentas pneumáticas e componentes arquiteturais anodizados na cor cinza. Peças sob tensão que exigem relação de peso com elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, tais como, componentes de aviação e de mísseis. Recipientes e componentes de iluminação, peças externas de motores e utensílios domésticos. Peças de utensílios domésticos em geral. Peças para utensílios domésticos em geral, indústrias elétrica e automotiva. Caixas de medidores de energia elétrica, peças externas de motores e peças fundidas com seções finas que requerem boa resistência à corrosão. Peças fundidas com seções finas, utensílios domésticos, moldes para artefatos de borracha e componentes arquiteturais anodizados na cor cinza. Aplicações marítimas, acessórios ornamentais de máquinas e equipamentos. Peças submetidas a elevadas tensões na engenharia de aviação, marítima e de transporte. Peças fundidas para conjuntos de brasagem.

28 LIGAS DE ALUMINIO-SILICIO Um grande número de ligas de alumínio tem sido desenvolvido para fundição, dentre estas ligas, as mais utilizadas são as ligas da família Al-Si. O amplo uso destas ligas está relacionado com as características que o seu principal elemento de liga, o silício, confere às ligas de alumínio. Nestas ligas o silício é usado, em geral, em teores de até 12 ou 13 % e aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que o mesmo flua melhor através das cavidades do molde de fundição, permitindo a obtenção de produtos com formatos mais complexos. Estas ligas também propiciam a redução da contração durante o resfriamento, reduz a porosidade nas peças fundidas, reduz o coeficiente de expansão térmica e melhora a soldabilidade. Ao ser combinado com o magnésio torna a liga tratável termicamente. O silício deve estar preferencialmente presente sob a forma de partículas arredondadas e dispersas na liga de alumínio. Esta morfologia das partículas de silício pode ser obtida pelo tratamento de "modificação", por meio da adição de um pequeno teor de sódio ou estrôncio às ligas Al-Si. A modificação altera a microestrutura da liga favoravelmente sob o ponto de vista das propriedades mecânicas, já que a microestrutura de placas aciculares de silício provoca concentração de tensões, prejudicando as propriedades mecânicas da mesma. O tratamento térmico de recozimento permite o coalescimento e a esferoidização do silício. A dureza das partículas de silício promove o aumento da resistência ao desgaste destas ligas. A adição em teores mais elevados dificulta a usinagem. O sistema Al-Si, com solubilidade sólida limitada em ambas as extremidades, forma um eutético simples à temperatura de aproximadamente 580 ºC para um teor de 12,5 % de silício (INFOMET, 2008). Ligas Al-Si sem adição de cobre são utilizadas quando boa fundibilidade e boa resistência à corrosão são necessárias. Se também for necessária uma alta resistência mecânica, a adição de magnésio torna estas ligas tratáveis termicamente. Ligas com teores de silício inferiores a 2% podem ser utilizadas na fundição, mas o conteúdo usual de silício situase acima de 5%. O diagrama de fases Al-Si é apresentado no gráfico 4 (ASENSIO-LOSANO; SUÁREZ-PEÑA, 2006). Dependendo da quantidade de Si, as ligas podem ser divididas em: ligas hipereutéticas, encontram-se na faixa de 13-20% de Si; liga eutética com 12,6% de Si em peso; e ligas hipoeutéticas com teor de Si menor que da liga eutética. As ligas hipoeutéticas são formadas por uma fase primária de alumínio com morfologia dendrítica constituída por ramos secundários, terciários e até de maior ordem. Os vazios entre esses

29 28 ramos dendríticos são preenchidos por fases intermetálicas e por uma estrutura eutética (GRUGEL, 1993). A estrutura eutética no estado não-modificado exibe a fase do Si com morfologia acicular na forma de grandes plaquetas (ALMEIDA et al, 2008). No entanto, essa morfologia pode ser controlada em seu crescimento por modificadores (Na, Sr) que permitem um refino da estrutura eutética e podem melhorar a ductilidade das peças fundidas. A adição de modificadores diminui a temperatura de nucleação e de crescimento na interface sólido/líquido, em razão do refino da estrutura eutética, forçando a fase Si a adotar uma morfologia fibrosa e irregular (CHADWICK, 1972). Gráfico 4: Diagrama de fases alumínio-silício Fonte: ASM, (1993). As ligas Al-Si hipoeutéticas são normalmente utilizadas para fundição em moldes de areia, enquanto que as hipereutéticas são normalmente utilizadas em moldes permanentes ou sob-pressão. Estas ligas de acordo com o diagrama binário de equilíbrio apresentam a fase α, que é uma solução sólida rica em alumínio com o silício como soluto e a fase β que é o silício, ambas com estrutura cúbica de face centrada (CFC). Na solidificação das ligas hipoeutéticas ocorre primeiramente a formação das dendritas de fase α e

30 29 posteriormente a solidificação do líquido remanescente com 12,7 % de silício formando as células eutéticas (α+β) a 577ºC A liga A356 Dentre as ligas da série 3XX.X a mais amplamente utilizada é a A356. Na tabela 4 estão listadas as propriedades que podem ser obtidas por diferentes processos de fundição, tratamentos térmicos e pequenos ajustes na composição. O tratamento térmico T6 é solubilizado e depois envelhecido artificialmente e T61 a primeira variação do tratamento T6. Tabela 4 - Propriedades mecânicas mínimas para a liga fundida A356 produzida por vários processos Processo de fundição Limite de Tratamento Alongamento Limite de Ruptura Escoamento térmico MPa ksi MPa ksi % Molde de areia sem tratamento ,3 5 Molde de areia T ,5 Molde sem tratamento ,6 3 Permanente Molde T Permanente Sob pressão sem tratamento Sob pressão T ,3 10 Fonte: ASM, (2002). A liga hipoeutética A356 utilizada neste estudo tem uma composição de aproximadamente 7% em peso de Si, conforme representado no gráfico 5, onde se pode verificar que o teor de Si está do lado esquerdo do ponto eutético.

31 30 Gráfico 5: Representação da composição da liga A356 do diagrama de fases Al-Si. Fonte:ASM (1993). 2.5 O PROCESSO DE FUNDIÇÃO Entre os métodos de conformação dos metais, a fundição é um dos procedimentos mais antigos utilizados na produção de artigos de metal e consiste na alimentação do metal líquido na cavidade de um molde com o formato requerido, seguindo-se de resfriamento para produzir o produto desejado após a solidificação. Para a fundição de metais existem vários processos de fabricação. Os processos de fundição podem ser classificados pelos tipos de moldes e modelos utilizados (FERREIRA, 1999), como pode ser observado no fluxograma 1.

32 31 Fluxograma 1: Classificação dos processos de fundição Tipos Principais de Processos de Fundição de Ligas de Alumínio A fundição em coquilha é um método que utiliza o molde metálico, como pode ser ilustrado na fotografia 1, onde é mostrado o vazamento do metal líquido em um molde tipo coquilha. A fundição em coquilha é um processo de alta produção, onde se obtém um excelente acabamento, executado através de molde permanente geralmente confeccionado em cobre, ferro e aço. Este processo é utilizado para peças de pequeno e médio porte fundidas em zamak, alumínio, latão e chumbo. A fundição em coquilha é aplicada nos segmentos de: metais sanitários, automobilística, telecomunicações. Não deve ser utilizado em peças grandes ou com grande variação de espessura, pois o molde metálico apresenta um resfriamento rápido, conduzindo a uma não uniformidade e causando defeitos em peças de geometria mais complexas.

33 32 Fotografia 1: Vazamento do metal líquido em molde tipo coquilha Fonte: Fundição Alvorada (2008). Outro processo utilizado para alta produção onde se obtém um ótimo acabamento é a fundição em casca, também conhecida como Shell Molding. Executado através de modelos confeccionados em ferro e alumínio, o qual é aquecido e sobre este modelo é colocado areia e resina. O material reage com o calor e se polimeriza, formando uma casca de pequena espessura que possa resistir ao material fundido conforme ilustrado na fotografia 2. Este tipo de processo é utilizado para peças de pequeno e médio porte, fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos, sendo um método onde conseguimos obter peças com tolerâncias dimensionais mais apertadas. O volume de areia utilizado para a moldação é menor, porém não é possível a reciclagem da mesma. Aplicados nos segmentos de: conexões, elétricos e ferroviários, etc.

34 33 Fotografia 2: Molde utilizado no processo de fundição em casca ou Shell Molding. Fonte: Fundição Alvorada (2008). Os processos de CO 2 e resina são utilizados para baixa produção, onde se obtém um excelente acabamento. Executado através de modelos confeccionados em madeira, resina e isopor. Utilizado para peças de quaisquer proporções e peso fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos. Aplicados nos segmentos de: buchas, naval, rotomoldagem, vacuum forming, etc. No processo por CO 2 são feitos moldes de areia aglomeradas com silicato de sódio que depois de compactados são submetidos a um tratamento com CO 2. Nos moldes de areia são feitos alguns furos e adicionado CO 2 na forma de gás. Na passagem desta corrente de gás por sua secção ocorre uma reação entre o CO 2 e o silicato de sódio, formando sílica-gel, carbonato de sódio e água, resultando num endurecimento imediato do molde, como ilustrado na fotografia 3. Para melhorar ainda mais a resistência podem ser aplicadas tintas especiais cobrindo o molde com posterior cura com fogo. O processo por resina também é utilizado para melhorar a resistência do molde e o acabamento superficial da peça, como podemos observar na fotografia 4 que mostra o misturador onde a areia é dosada com a resina para ser utilizada na moldagem.

35 34 Fotografia 3: Molde em areia e silicato de sódio com injeção de CO 2 Fonte: Fundição Alvorada (2008). Fotografia 4: Equipamento para mistura de areia e resina utilizadas para moldagem Fonte: Fundição Alvorada (2008). O processo de fundição sob pressão ou por injeção, conhecido com Die Casting, é utilizado somente para alta produção devido à sua alta capacidade de produção e alto custo do equipamento. É possível obter peças de alta complexidade, com espessuras finas e excelente acabamento superficial e alta precisão dimensional. O metal líquido fundido, sob pressão é forçado por um pistão hidráulico ou pneumático a entrar na cavidade esculpida de um molde, o metal expulsa o ar lá contido, por orifícios pré-determinados, e preenche todos os espaços do molde. Geralmente na fundição das ligas de alumínio são utilizadas injetoras de

36 35 câmara fria, como a mostrada na fotografia 5. Neste processo o cilindro e o pistão não são colocados diretamente no banho do metal líquido. O contato entre o metal líquido e a câmara somente se dá no momento do vazamento. A vantagem deste processo é que o forno tende a se deteriorar mais rápido do que o restante da máquina e, por estar em separado da mesma, pode ser substituído sem que a máquina necessite ficar parada para isso, bastando trocar o forno. Fotografia 5: Injetora de capacidade de 400 t, de câmara fria Fonte: Fundição Alvorada (2008). A moldagem por areia verde, um dos mais utilizados, mostrado de forma geral na fotografia 6, é um processo de baixo custo, onde se obtém um bom acabamento. Executado através de modelos confeccionados em alumínio e madeira, podendo ser moldado por máquinas de compactação ou manualmente. Utilizado para peças de diversas dimensões e peso fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos. Aplicados nos segmentos de: máquinas e equipamentos, autopeças, transporte e iluminação, etc.

37 36 Fotografia 6: Vista geral do processo de moldagem para fundição em areia verde Fonte: Fundição Alvorada (2008). Com moldes de areia podem ainda se obter peças metálicas, utilizando-se do processo de fundição por evaporação do modelo, conhecido como espuma perdida ou lost foam. Este método consiste em construir um molde de areia sobre um modelo de poliestireno expandido (isopor). O vazamento do metal líquido superaquecido consome e ocupa o lugar do modelo. Esse procedimento garante ao mesmo tempo uma peça bruta de fundição muito próxima da sua forma definitiva, uma precisão dimensional importante e a realização de corpo oco de geometria particularmente complexa Tipos de Fornos para Fundição Os principais fornos utilizados na fundição são os fornos a indução e fornos a gás. FORNO A INDUÇÃO: funciona com energia elétrica, possui um princípio de funcionamento de indução eletromagnética, ou seja, quanto maior a potência maior será a agitação do banho, facilitando a fusão do alumínio e componentes de liga. FORNO A GÁS: também é muito utilizado na indústria, possui um princípio de funcionamento a base de gás natural, atingindo altas temperaturas para fusão do

38 37 alumínio e de seus componentes de liga, ao contrário dos fornos a indução, não possui agitação. Em algumas fábricas o alumínio é fundido primeiro em um forno (forno de fusão) e transferido para um segundo forno (forno de espera) para os ajustes de composição, tratamento (fluxação) e controle adequado da temperatura antes do vazamento. As indústrias de alumínio primário, em geral, possuem fornos de fusão/espera onde o metal das cubas é transferido para o forno juntamente com a sucata de metal do processo. Os fornos atuais são do tipo basculante para propiciar bom controle de temperatura e vazão do metal para os equipamentos de vazamento e permitir rápido e completo escoamento. Na indústria de alumínio secundário são usados fornos rotativos para fundir a sucata, material leve e borra. Nestes fornos o metal é recuperado na parte inferior de uma camada líquida de sal protetora a qual também serve para separar os óxidos do metal líquido (ABAL, 2008) Fundição em molde de areia verde Os processos de fundição envolvem o vazamento de ligas metálicas em moldes resistentes à temperaturas acima das temperaturas de fusão dos metais. Os moldes metálicos não resistem ao desgaste erosivo ao longo do tempo e à fadiga térmica originada pelas altas temperaturas de vazamento dos fundidos, principalmente em ligas ferrosas. Devido a este fato, a maioria das peças é vazada em moldes obtidos por compactação de uma mistura de areia com aglomerantes, aditivos e certa percentagem de umidade, designada por molde em areia verde (FERREIRA, 1999). Na fundição em areia, o molde é formado por areia misturada com agentes ligantes e socada ao redor de um modelo. Então, o modelo é removido, deixando uma cavidade no formato do fundido a ser feito. Se o fundido tem cavidades internas, peças de areia socada ( machos ) fabricadas a parte são usadas para fazê-las. O metal líquido é vazado no interior do molde e após a solidificação, o molde é quebrado para remover o fundido. Na fabricação de moldes e machos vários agentes podem ser usados como ligante da areia. O agente mais freqüentemente usado é uma mistura de argila e água. A areia ligada com argila e água é chamada de areia verde. A areia ligada com óleos ou resinas, que é mais resistente do que a areia verde, é comumente usada para machos (ASM, 1997). A leveza (baixa densidade) das ligas de alumínio permite trabalhar com baixas pressões e também possibilita fazer um socamento de areia mais leve. Por outro lado, a

39 38 dificuldade que as ligas de alumínio apresentam para se libertar dos óxidos e expelir os gases do molde constituem-se em desvantagens, que exigem cuidados especiais. Sendo assim, é muito importante maximizar a permeabilidade do molde, permitindo o deslocamento do ar e dos outros gases à medida que o metal líquido penetra na cavidade. Outra desvantagem na fundição de ligas de alumínio é sua fragilidade a quente. Como a resistência mecânica das ligas de alumínio durante a solidificação é muito baixa, qualquer obstáculo que signifique maior resistência à contração resulta no surgimento de trincas. Outra característica importante das ligas de alumínio é a elevada contração de solidificação que exige uma compensação, pois varia de 0,9 a 1,3 %. A areia utilizada na fundição das ligas de alumínio pode ser natural ou sintética. Para que a areia de fundição seja lisa o suficiente é necessário que o teor de argila seja razoavelmente elevado. No caso da areia natural o teor de argila deve estar entre 10 e 25 %, enquanto na areia sintética o teor de argila deve ser da ordem de 3 a 10 % (PIO et al, 2005). As areias mais utilizadas em fundição são as de sílica produzidas pela decomposição do granito. Outras areias, como as de Zircônia e as de Olivina, também podem ser utilizadas. Contudo, as areias devem apresentar, dentro do possível, as seguintes características e propriedades básicas: Estabilidade térmica e dimensional a elevadas temperaturas; Distribuição de forma e tamanho de partículas adequado; Não apresentar reatividade química com o metal fundido; Estar livres de substâncias de baixo ponto de fusão Estar livres de produtos que gerem gases às altas temperaturas envolvidas; Estarem disponíveis a baixo custo; Apresentarem uma composição química uniforme; Terem compatibilidade com os aglomerantes (FERREIRA, 1999). Para a preparação da areia para moldagem em areia a verde são utilizados aglomerantes, que vão envolver os grãos de areia, que pode ser: Aglutinantes: argila, bentonita e mogul; Químicos: resinas e silicatos. A composição da areia de molde: Areia nova, limpa e seca; Areia usada, limpa e seca; 4 à 6% de argila;

40 39 0,8 à 1,5% de bentonita; 1 à 2% de mogul; 3 a 4% de água. O acabamento superficial das peças vazadas em moldes de areia é função do tamanho dos grãos e da sua distribuição. Contudo, os fatores que aumentam a permeabilidade diminuem o acabamento superficial e vice-versa. Os grãos finos melhoram a qualidade da superfície da peças vazadas. Outros fatores influem no acabamento de superfícies tais como a refratariedade e as condições de vazamento nomeadamente a temperatura e a velocidade de vazamento. Uma temperatura de sobreaquecimento elevada e uma velocidade de vazamento elevada podem provocar a penetração metálica entre os grãos de areia, diminuindo o acabamento superficial das peças vazadas. Na prática utilizam-se areias de contato de grão fino para diminuir a rugosidade superficial e uma areia de enchimento de grão mais grosso na estrutura da massa do molde para melhorar a permeabilidade, a qual pode vir da reciclagem das areias de moldes após o seu uso (FERREIRA, 1999). 2.6 METALURGIA DA FUNDIÇÃO Durante a transformação liquidus-solidus pela qual passa o metal ocorrem vários fenômenos que se não forem devidamente controlados podem comprometer o desempenho do produto final, dando origem a vários tipos de heterogeneidades. Além das heterogeneidades físicas geralmente originadas pela contração do metal fundido durante a solidificação e a fase de arrefecimento com diminuição do volume específico da peça (rechupes, fendas de contração, porosidade e outros tipos de defeitos), podem surgir heterogeneidades químicas (segregação de impurezas ou de elementos de liga em escala microscópica ou macroscópica) e heterogeneidades estruturais (tipo, distribuição, tamanho e orientação dos grãos cristalinos). Os tratamentos do metal líquido constituem-se em ponto fundamental da tecnologia de fundição já que nesta etapa são estabelecidas as condições metalúrgicas do banho que determinarão as microestruturas brutas de fundição e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas das peças. É de suma importância a análise química de todas as cargas fundidas, pois a variação fora dos limites mínimos e máximos estabelecidos por normas e clientes influi muito nas propriedades mecânicas exigidas para determinadas peças.

41 TRATAMENTOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO LÍQUIDO Normalmente as ligas de alumínio formam, durante a solidificação, grãos grandes colunares e equiaxiais. O grau de crescimento dos grãos equiaxiais e o comprimento dos grãos colunares dependem da temperatura de vazamento do metal e do gradiente térmico estabelecido dentro do molde. Esta microestrutura de grãos grosseiros resulta numa redução das propriedades mecânicas do material. Ainda que o tamanho de grão possa ser reduzido de certa forma com baixas temperaturas de vazamento, a prática mais eficiente de controlar o tamanho e a morfologia do grão é a de introduzir elementos refinadores e modificadores instantes antes do vazamento. Na micrografia 1 são mostradas microestruturas da seção transversal de lingotes fundidos com e sem adição de modificadores e refinadores de grão (FOSECO, 2006). (A) (B) Micrografia 1: Microestrutura de grãos da seção transversal de dois lingotes de liga de alumínio. (A) Sem modificação e refino de grão. (B) Com modificação e refino de grão. A seqüência de tratamento do banho de alumínio líquido é a seguinte: Fornos de Espera Adicionar sal escorificante. Limpar superfície do banho com movimentos suaves. Adicionar modificador: Estrôncio ou Sódio. Passar rotor desgaseificador. Limpar superfície do banho com movimentos suaves. Medir temperatura e liberar.

42 41 A função do escorificante é de remover todas as impurezas e óxidos da superfície do banho. A escória deve ser retirada da superfície do banho com auxilio da escumadeira com movimento suave para não contaminar o banho. Influência dos Principais Componentes de Liga Al-Si: Silício Ligas com teor de silício de 5 a 9% apresentam baixa fluidez, ou seja, elevada viscosidade, dificultando preenchimento das peças. Ao mesmo tempo, estas ligas apresentam solidificação pastosa, com tendência à formação de microporosidade; Ligas com teor de silício 10 a 12,5% apresentam alta fluidez, ou seja, facilitando preenchimento das peças. Estas ligas apresentam baixa tendência à formação de microporosidades e elevada tendência a rechupe. Cobre Melhorar usinabilidade das ligas, como por exemplo, as ligas AlSi8 e AlSi9 e no caso de ligas para injetado maior capacidade de compactação na terceira fase. Ferro Fragilizante das ligas de alumínio, ou seja, diminui as propriedades mecânicas do material tornando-o frágil. Por outro lado, em fundição sob pressão, evita os problemas de solda e colamento da peça à matriz. Magnésio Ajuda a melhorar as propriedades mecânicas após tratamento térmico, aumenta a resistência à corrosão e melhora a usinabilidade. Manganês Diminui o efeito fragilizante causado pelo ferro, porém, somente se estiver na proporção de 1:2, ou seja, a cada 1% de Ferro deverá conter na liga no mínimo 0,50 % de Manganês. Titânio Refinador de grão (alumínio), melhorando as propriedades mecânicas e as condições de alimentação de peças fundidas, reduzindo a tendência de trincas a quente.

43 Refinadores de grãos A microestrutura final de uma liga fundida é muito importante, pois influencia suas propriedades mecânicas. Grãos colunares grandes, ou seja, dendritas alongadas são indesejáveis e o refino de grão tem por objetivo suprimir a formação destes grãos. O refinador de grão é usualmente adicionado via ligas mestres e introduz muitas partículas, que agem como substratos para nucleação do alumínio primário (Al-α). Quando o refinamento de grão é bem sucedido, finos grãos equiaxiais de Al-α, ou seja, dendritas pouco alongadas são formadas, o tamanho médio de grão diminui o que conduz a uma melhoria da fundibilidade e das propriedades mecânicas (PIO et al, 2005). O refino de grão é considerado um dos processos mais importantes de tratamento das ligas alumínio-silício para fundição. A adição de refinadores de grão para melhorar as propriedades mecânicas das ligas fundidas é relativamente bem disseminada na indústria do alumínio. O refino de grão de ligas de alumínio é responsável por um grande número de vantagens técnicas e econômicas, tais como: redução de trincamento no lingote, melhor homogeneidade do lingote, redução da suscetibilidade ao trincamento a quente e melhoria significante das propriedades mecânicas. Os principais elementos refinadores de grão utilizados atualmente em ligas de alumínio são: titânio, boro e estrôncio (SRITHARAN, 1997; McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004). Dentre as propriedades mecânicas que são melhoradas com a adição de refinadores destaca-se o aumento da resistência e da estabilidade dimensional do fundido. A estrutura refinada promoverá uma melhor distribuição das fases intermetálicas na liga final, melhorando a aparência da superfície e a trabalhabilidade da peça. O refinamento pode ajudar também na dispersão da porosidade shrinkage durante a solidificação, ou seja, o volume de poros continua inalterado, porém apesar de estarem em maior número, eles se tornam menores e mais homogeneamente distribuídos. Com o aumento da fluidez, a velocidade de vazamento pode ser aumentada, devido a melhoria de alimentação do metal, que é um grande vantagem operacional, porque é possível se obter uma produção mais rápida e ainda prevenindo a ocorrência de trincas a quente. O tamanho de grão das ligas de alumínio fundidas depende da quantidade de núcleos de grãos no líquido e da velocidade de solidificação da liga. Assim, a diminuição do tamanho de grão (refino de grão) nestas ligas só é possível com o aumento do número de núcleos no líquido ou com o aumento da velocidade de resfriamento. No caso de peças

44 43 resfriadas lentamente (molde de areia) ou peças de grandes dimensões, o refino de grão é realizado com a adição de pós à base de Al-Ti (de 3 a 10% de Ti) ou Al-Ti-B (de 3 a 10% de Ti e 0,2 a 1% de B) na liga líquida. Existem dois tipos distintos de partículas observadas na microestrutura do TiBAl: partículas de TiB 2 núcleos refinadores de grão, tipicamente de 1-2 µm de tamanho, que não dissolvem no alumínio líquido; e placas de TiAl 3 - maiores do que as de TiB 2 (normalmente µm de tamanho) que dissolvem rapidamente no alumínio líquido. Ambos os tipos de partículas desempenham um papel essencial no processo de refino de grão. A adição destes refinadores provoca a formação de partículas sólidas dispersas de Al 3 Ti que atuam como núcleos para os primeiros grãos decorrentes da solidificação. As partículas de Al 3 Ti dissolvem rapidamente fornecendo o Ti dissolvido que ajuda a limitar o crescimento após a nucleação. As partículas de TiB 2 permanecem estáveis na fusão e fornecem locais para a nucleação heterogênea. Segundo Schaffer, Arnberg e Dahle (2006), o Al-Si eutético é fortemente influenciado pelas partículas TiB 2 segregadas que fornecem além do refino da fase α, uma modificação similar do eutético àquela observada após adições de Na ou Sr. A modificação é um resultado da interação entre as partículas TiB 2 e o Si eutético e a uma segregação extrema destas partículas nos contornos eutético da fase Al-Si, onde eles obstruem a redistribuição do soluto e refinam o Si eutético. Este fenômeno é provavelmente associado com a extensiva compressão das partículas do substrato durante o crescimento do eutético. Ainda não foi comprovado se a modificação eutético por adições da partícula de TiB 2 é uma alternativa real ao modificadores de Sr e Na (que tem alguns efeitos negativos tais como a formação aumentada da porosidade) e será necessário mais pesquisa sobre este mecanismo de modificação da partícula e sobre a densidade crítica da partícula. Segundo Martorano e Hallak (2009), as partículas de TiB 2 não realizam o refino de grão na ausência de Ti livre. O mecanismo que provavelmente ocorre é o da teoria da nucleação duplex, na qual se explica que o Ti dissolvido tende a se concentrar na superfície das partículas de TiB 2. O refino de grão tem como objetivo principal reduzir os tamanhos das dendritas (grão da fase α pró-eutética), melhorando as condições de alimentação (e assim, a sanidade e estanqueidade das peças fundidas), as propriedades mecânicas (limites de escoamento e de resistência), bem como a tendência a formação de trincas à quente. O máximo efeito refinador é alcançado após 5 a 10 minutos da adição dos banhos. Seu efeito não é permanente, observando-se uma redução na intensidade do refino a partir de 45 minutos

45 44 após a sua adição, sendo necessárias readições ou agitações para reativar as condições metalúrgicas do banho. As adições típicas são de 0,05 a 0,15% de titânio para ligas com relação Ti:B de 3:1 a 5:1 (MALAVAZI, 2008) Modificadores do eutético A grande maioria dos componentes fundidos em ligas de alumínio emprega ligas do sistema Al-Si. A microestrutura bruta de fundição destas ligas apresenta partículas de Si com morfologia acicular, que diminui a ductilidade destas. A modificação consiste em um tratamento do banho de alumínio-silício pela adição de agentes modificadores da morfologia das partículas de Si. Os agentes modificadores mais empregados são: o Na (Sódio), o Sr (estrôncio) e o Sb (antimônio). Adições destes elementos (entre 0,005 e 0,02% em peso) promovem fortes alterações no crescimento da fase β (silício) do eutético: a fase β passa a exibir uma morfologia mais refinada, aumentando a ductilidade das ligas Al-Si fundidas. O grau de modificação obtido por estes tratamentos é função da velocidade de resfriamento e da reação entre o teor do elemento modificador e o teor de fósforo residual da liga. Independente do tratamento de modificação, elevadas velocidades de resfriamento, como as obtidas em moldes metálicos, contribuem para refinar o tamanho dos grãos e a estrutura do próprio eutético. A modificação com estrôncio é realizada por meio da adição de estrôncio (Sr) metálico ou na forma da anteliga Al-Sr. Normalmente as adições são da ordem de 0,01% de Sr e exige-se um tempo de incubação de cerca de 15 minutos para banhos com pouca agitação. A modificação com sódio é feita por meio de adições de sódio (Na) metálico ou de fluxos contendo este elemento. O sódio é um modificador mais eficiente que o estrôncio, promovendo melhores graus de modificação. Entretanto, devido à sua maior tendência à vaporização, o seu efeito modificador perde-se com mais rapidez que o Sr. Em banhos modificados com Na, o efeito modificador permanece por cerca de 30 minutos. No caso de Sr o efeito permanece por mais de 2 horas. Outro ponto negativo do Na é o ataque aos cadinhos de fusão. (MOREIRA; FUOKO, 2007). Os elementos sódio e estrôncio são compatíveis entre si, não havendo problemas devido à contaminação de retornos de sucatas sendo possível a utilização simultânea de ambos. Uma alternativa ao tratamento de modificação com sódio ou estrôncio é o tratamento com antimônio, no qual a morfologia da fase β é mantida como lamelar, sofrendo apenas um refino. Estas ligas no estado bruto de fundição apresentam propriedades

46 45 intermediárias entre as ligas não modificadas e modificadas, sendo necessário tratamento térmico para alcançarem propriedades equivalentes às ligas modificadas com os demais modificadores. As principais vantagens do tratamento com antimônio é o menor custo e o caráter permanente de refino do banho, não se perdendo com o tempo ou mesmo com refusões. Porém, existem algumas desvantagens, o antimônio não é compatível com modificadores convencionais (Na e Sr), interagindo negativamente com estes. O máximo grau de refino só é atingido para altas velocidades de resfriamento e como não há alteração na morfologia do silício, a máxima ductibilidade só é alcançada após tratamento térmico em altas temperaturas, durante os quais as lamelas de silício se quebram e segue-se um processo de esferoidização das partículas. Outro elemento modificador é o cálcio, porém tem pouca aplicação comercial (MALAVAZI, 2008). As micrografias 2a-b mostram a microestrutura da liga A356 não-modificada, solidificada em areia. A microestrutura é formada basicamente por dendritas de α-al (fase clara) e por um eutético binário Al-Si entre os ramos dendríticos contendo Si acicular (fase escura). O eutético, do tipo facetado/não-facetado, ocorre por não apresentar arranjo ordenado das fases e por elas geralmente exibirem diferentes taxas de crescimento. Essa estrutura irregular está relacionada com fatores como a grande diferença entre os pontos de fusão entre o Al e o Si e a diferença na proporção relativa de tais constituintes (88,5% da fase α-al e 11,5% de Si) e a diferença na entropia de fusão de ambos (1,35 para Al e 7,15 J.mol - 1 K -1 para Si) (FISHER; KURZ, 1980). Em razão da elevada entropia de fusão da fase facetada, o Si nucleia e cresce antes que o Al inicie a solidificação no eutético. Esse crescimento ocorre de forma anisotrópica pela formação de maclas entre os planos {111}. Tais planos de maclação se alinham paralelamente à direção <211>, que é a direção preferencial de crescimento (CHADWICK, 1972; MAGNIM; MASON; TRIVEDI, 1991). Micrografia 2: a) Microestrutura da liga não-modificada, correspondente à solidificação em areia, e b) ampliação da região eutética acicular de Al-Si. Fonte: PERES et al (2005).

47 46 A microestrutura da liga modificada com Sr solidificada em areia é mostrada na micrografia 3. Observa-se, no detalhe da micrografia 3b, que a região interdendrítica é constituída por uma estrutura eutética fibrosa contendo estruturas complexas de Si (região A), diferente da liga não-modificada. A formação da morfologia fibrosa é favorecida pela redução da tensão superficial do alumínio, o que altera a energia superficial interfacial entre o Al e o Si e influencia tanto na nucleação como no crescimento. De acordo com Magnim, Mason e Trivedi (1991), os modificadores dificultam o crescimento do Si pelo mecanismo de maclação, onde átomos de Sr no líquido são adsorvidos nos entalhes das maclas, reduzindo a taxa de aderência dos átomos de Si nesses locais de crescimento, suprimindo assim a formação de plaquetas de Si. Micrografia 3: a) Microestrutura da liga modificada, correspondente à solidificação em areia, b) ampliação da região eutética fibrosa Al-Si. Fonte: PERES et al (2005) Modificação com estrôncio A modificação com estrôncio é realizada por meio da adição de estrôncio (Sr) metálico ou na forma de ante-liga Al-Sr. Normalmente, as adições são da ordem de 0,01% de Sr e exige-se um tempo de incubação de cerca de 15 minutos para banhos com pouca agitação. As microestruturas eutéticas típicas de ligas Al-Si podem ser observadas na micrografia 4, onde se pode observar que na liga comercial não modificada, a nucleação foi produtiva enquanto na liga de alta pureza não modificada poucas grãos eutéticos nuclearam. A adição de estrôncio à liga comercial reduziu o número dos grãos eutéticos que nuclearam. A adição do estrôncio à liga de alta pureza não alterou significativamente a nucleação. Conclui-se que as ligas comercialmente puras contêm um grande número de núcleos em

48 47 potencial que são suscetíveis a contaminação pela modificação da impureza. A transição de lamelar-fibrosa que ocorre com modificação da impureza é mostrada ser independente de qualquer mudança na forma e na freqüência da nucleação eutética (McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004). Micrografia 4: Microestruturas eutéticas típicas de ligas completamente solidificadas na condição não atacada: (a) pureza comercial não modificada; (b) alta pureza não modificada; (c) pureza comercial modificada com estrôncio; (d) alta pureza modificada com estrôncio. Fonte: McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004 Quando a frente de solidificação do eutético foi estudada por solidificação direcional, observou-se que nas ligas de pureza comercial, a interface eutética da solidificação se estende na direção do crescimento e cria uma zona pastosa eutética. Porém, nas ligas de alta pureza observaram-se uma frente plana de crescimento do eutético. O alumínio eutético tem basicamente a mesma orientação cristalográfica que as dendritas nas ligas não modificadas e nas ligas de alta pureza modificadas com estrôncio. Uma estrutura eutética

49 48 mais complexa do grão é encontrada na liga comercial modificada com estrôncio. Um mecanismo que envolve o super-resfriamento constitucional e uma transição colunarequiaxial explica as diferenças entre ligas puras e comerciais. Isto é causado provavelmente pela segregação do ferro e do magnésio e pela ativação dos núcleos potenciais na liga comercial (HEIBERGA et al, 2002). No sistema alumínio-silício foi estabelecido recentemente que a adição de estrôncio inibe a nucleação de grãos eutéticos e, consequentemente, aumenta o tamanho do grão eutético. O tamanho dos grãos eutéticos aumentam com uma adição inicial de estrôncio como resultado de uma diminuição de nucleação da fase eutética do silício. Isto pode ser confirmado com os dados quantitativos apresentados no gráfico 6, mostrando a redução na densidade da área de grãos eutético (e subseqüentemente um aumento no tamanho de grão eutético) com concentração crescente do estrôncio. O número dos grãos que nucleiam diminui rapidamente com adições crescentes do estrôncio até um ponto crítico. Este ponto varia como uma função da composição da liga base, mas adições acima deste nível não produzem uma redução adicional na nucleação (ou o aumento correspondente no tamanho de grão). Gráfico 6: Adições de estrôncio diminuindo drasticamente o número de grãos que nucleiam (a linha sólida é uma linha de tendência). A barra de erro mostra desvio padrão de ±1. Fonte: McDONALD; NOGITA; DAHLE, (2006). Segundo a proposta de McDonald, Nogita e Dahle (2006), existe uma distribuição bimodal de núcleos nas ligas de alumínio-silício comerciais que são removidos de modo progressivo com o aumento das adições de estrôncio. A paralisação do tamanho do grão eutético após a ultrapassagem de um nível crítico de estrôncio é o resultado do esgotamento

50 49 completo dos núcleos em potencial. O nível crítico de estrôncio diferirá entre as ligas com base na composição da liga, incluindo o tipo e grau de impurezas presentes e a condições de fusão. Embora exista pouca prova direta, existe a teoria que sugere que o tamanho do grão eutético pode influenciar uma variedade de propriedades de fundição, incluindo a propensão a trinca a quente, a formação da porosidade, as propriedades mecânicas, a resposta ao tratamento térmico, o acabamento superficial e a resistência à corrosão de muitas das ligas. Pode-se concluir que as propriedades de processamento e em trabalho de fundidos de alumínio-silício modificados com estrôncio são provavelmente mais estáveis se a concentração crítica mínima de estrôncio for excedida. Um efeito mútuo de envenenamento é encontrado quando o conteúdo de Sr e B vai além de um certo limite. É proposto que o efeito deve ser devido a criação de um composto de Sr-B (LIAO; SUN, 2003). Se o nível de adição for pequeno, como resultado tem-se uma estrutura bem modificada e uma estrutura refinada. Entretanto, interações extremamente negativas entre o Sr e o Al1,5Ti1,5B3 são observadas se o nível de adição de refinador aumentar. Essa interação tem um impacto muito mais profundo na solidificação do eutético que na solidificação do Al primário. O banho tratado com adições combinadas de Sr e Al1,5Ti1,5B ainda mostram uma boa eficiência no refino do grão mesmo depois de perder toda a modificação completamente (LU; DAHLE, 2006) Fluxos Os fluxos são compostos de sais de sódio, fluoretos, cloretos e potássio que promovem a separação dos óxidos do alumínio líquido. Os fluxos, em contato com o alumínio líquido, extraem calor que serve com energia de ativação para reagir com os óxidos da superfície do metal e provocar uma reação exotérmica elevando a temperatura na superfície que, por sua vez, permite o aumento da fluidez do alumínio aglomerado com os óxidos, retornando assim ao banho. Fluxos são complexos químicos que podem ser utilizados para desgaseificar, modificar ou mesmo refinar os grãos de alumínio durante a solidificação. Sua função básica, no entanto é de proteção do metal durante o processo de fusão, desoxidar o metal e limpeza do metal. Existem mais de 150 composições diferentes de fluxos utilizados na metalurgia do alumínio e muitos deles baseados no sistema NaCl-KCl na proporção de 50% como mistura básica. Também temos a adição dos sais: CaF 2 ; NaF; AlF 3, AlCl 3, NaAlCl 4 ; KAlCl 4 ; K 3 AlF 6.

51 50 Em função da aplicação, os fluxos são classificados em: Fluxo de cobertura: evita a oxidação do alumínio, protege o alumínio liquido contra a oxidação durante a fusão ou mesmo manutenção da temperatura em fornos a combustível ou indução. Fluxos escorificantes: promove a separação do alumínio da escória. É utilizada para diminuir as perdas de alumínio por arraste durante a remoção da escoria no processo de limpeza dos fornos. Fluxos de limpeza: é utilizado para a limpeza das paredes dos fornos de fusão e manutenção. Evita a formação de incrustações nas paredes. Para cada faixa de temperatura de trabalho do alumínio existe uma composição específica de fluxo fora do qual não atuará de forma eficiente ou simplesmente não atuará causando desperdícios. A ação dos fluxos requer reação mecânica ou química entre os componentes ativos dos fluxos e os elementos que se desejam eliminar. Os fluxos que atuam a baixas temperaturas não promovem reações eficientes, permitindo que grande parte do alumínio fique retida, implicando em perdas significativas de metal que fica finamente disperso. Para minimizar este problema são adicionadas pequenas quantidades de óxidos reativos tais como sulfatos e nitratos. Estes componentes atuam como uma espécie de gatilho para uma série de reações exotérmicas que aumentam a temperatura, permitindo o coalescimento (reagrupamento) das partículas de alumínio e retornando ao banho (MALAVAZI, 2008). 2.8 DESGASEIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMINIO De uma maneira geral, os metais no estado líquido tendem a absorver gases da atmosfera. As ligas de alumínio no estado líquido (acima de 660 C) apresentam grande solubilidade de hidrogênio. Entretanto, na solidificação, a solubilidade de hidrogênio diminui drasticamente, conforme mostrado no gráfico 7. Em decorrência deste fato, durante a solidificação, cerca de 95% do hidrogênio é segregado para as últimas porções de líquido, atingindo teores elevados e promovendo a formação de porosidades em regiões interdendríticas. Tais porosidades têm um efeito deletério sobre as propriedades mecânicas, notadamente sobre a ductilidade e a resistência à fadiga. A absorção de hidrogênio pelo metal líquido ocorre através da redução do vapor de água, conforme a reação: H 2 O (vapor) + 2/3 Al (líquido) 1/3 Al 2 O 3 (sólido) + 2 H (dissolvido)

52 51 Gráfico 7: Solubilidade do hidrogênio no alumínio em função da temperatura. Fonte: RANSLEY; NEUFELD (1947) A eliminação de porosidades decorrentes da absorção de hidrogênio pode ser obtida de três maneiras: Reduzir a absorção de hidrogênio durante as etapas de fusão, manutenção e vazamento; Dificultar a nucleação das porosidades; Promover a desgaseificação da liga antes do vazamento. Quanto maior a temperatura de aquecimento do alumínio líquido, maior será o volume de hidrogênio em forma de bolhas dentro do metal. Portanto, conclui-se que é uma boa prática operacional não superaquecer o metal líquido, procurando mantê-lo o mais próximo possível do ponto de solidificação, compatível com as condições de vazamento de cada produto (ABAL, 2006). O processo de desgaseificação é o mais utilizado e é tradicionalmente realizado por três processos: 1- desgaseificação à vácuo; 2- borbulhamento de gás ativo, normalmente cloro, adicionado por meio de pastilhas de hexacloretano ou por um tubo perfurado (cloro gasoso); 3- borbulhamento de gás neutro (Ar ou N 2 ) através de tubo perfurado com ou sem plug poroso ou ainda com tubo perfurado e rotor de grafita.

53 52 Os dois primeiros processos apresentam alta eficiência na remoção do hidrogênio dissolvido. Entretanto, apresentam como desvantagem, respectivamente, o custo do equipamento e a toxidez associada à corrosividade do gás cloro. Por muitos anos, o uso do gás cloro desenvolvido pelo mergulho de hexacloretano na forma de pastilhas foi o método mais comum de tratamento. Porém, em 1 de abril de 1998, seu uso foi proibido na Europa para produção e processamento de metais não ferrosos, sendo limitado seu uso para analises com propósito de pesquisa e desenvolvimento desde que seu consumo fosse inferior a 1,5 kg por dia (BROWN, 1999). O borbulhamento de gás neutro através de lanças de ponta porosa apresenta como vantagem o baixo custo do aparato, mas exige um tempo de tratamento superior, conforme ilustra o gráfico 8. No caso da utilização do nitrogênio, um cuidado especial deve ser tomado com a temperatura do banho, porque acima de 800ºC este começa a formar nitretos indesejáveis. Gráfico 8: Redução do teor de hidrogênio dissolvido no banho com o tempo de desgaseificação. Fonte: MOREIRA; FUOKO (2007) Mais recentemente, com o entendimento das condições termodinâmicas e cinéticas que governam o processo de desgaseificação foi possível o desenvolvimento da injeção de gás inerte por meio de rotor de grafita. Neste processo, o gás é fragmentado pelo movimento rotativo do rotor gerando um número elevado de bolhas. Como a reação de desgaseificação depende, fundamentalmente, da área total das bolhas do gás, quanto maior a quantidade e menor o tamanho das bolhas, maior é a cinética de desgaseificação. No esquema 1 pode-se observar o modo de injeção de gás pelo sistema rotativo. O gás entra pela coluna do rotor e sai no fundo do banho através de aberturas na base

54 53 do rotor que gira em velocidades de 300 a 500 rpm. O esquema 2 mostra um típico sistema de desgaseificação rotativo utilizado na fabricação de produtos primários e laminados conhecido como SNIF (spinning nozzle inert flotation). Esquema 1: Esquema de uma unidade de desgaseificação contínua (rotor). Fonte: ASM, (2002). Esquema 2: Esquema de uma unidade contínua de desgaseificação (SNIF spinning nozzle inert flotation). Fonte: ASM, (2002). Outra vantagem indireta dos processos de desgaseificação é a flotação de óxidos (alumina) para a superfície do banho, que posteriormente são removidos mecanicamente (por meio de escumadeiras). Os controles realizados sobre o teor de hidrogênio dissolvido nas ligas de alumínio são: