Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas de alumínio

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1 Dr. Eng. Metalúrgica Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas de alumínio Solidificação das Ligas de Alumínio - Introdução - Diagrama Fe-C - Diagrama Duplo Fe-C para os Ferros Fundidos - Influências dos elementos de liga e da velocidade de resfriamento - Classificação dos Ferros Fundidos - Introdução - Diagrama Al-Si - Influências dos elementos de liga - Modificação das ligas Al-Si - Microestruturas e propriedades mecânicas - Mecanismos de endurecimento T ( 0 C) Fe δ + L Fe δ 1450 Fe δ + Fe γ L Fe γ + L L + Fe 3 C 1148 Fe γ 912 Fe α + Fe γ Fe γ + Fe 3 C Fe α 727 Fe α + Fe 3 C Fe 0,8 4,3 % C (em peso) 1

2 Fundição e Sistema Estável Formação de austenita + grafita Ferro Fundido Cinzento Sistema Metaestável Formação de austenita + Fe 3 C Ferro Fundido Branco Fatores que influem no Equilíbrio Velocidade de Resfriamento Elementos de Liga 2

3 1 ª fase: Solidificação pró-eutética formação de dendritas de Fe γ Temperatura ( 0 C) L +Feγ Feγ + Fe 3 C Feγ + grafita ,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 L Carbono (%) Ocorre a contração na solidificação 2 ª fase: Solidificação do eutético - Fe γ + grafita Ocorre expansão devido a formação da grafita e contração devido a formação da austenita (Fe γ). Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos L L + Grafita Temperatura ( 0 C) L + Feγ Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita L + Fe 3 C ,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 Carbono Equivalente (%) 3

4 Influência dos Elementos de Liga Si Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Grafitizante Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento Cr Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Estabilizador de Carbonetos Favorece a formação de Ferro Fundido Branco Influência do Si no Eutético Fe-C 4

5 Influência do 3 0 elemento na solubilidade do C no ferro líquido, % em peso do elemento de liga Temperatura ( 0 C) Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Si Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável % de Silício Grafitizante Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento 5

6 Temperatura ( 0 C) 1160 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético 1140 Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Cr % de Cromo Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Estabilizador de Carbonetos Favorece a formação de Ferro Fundido Branco Influência da Velocidade de Resfriamento Curvas de Resfriamento Indicam : Resfriamento Rápido Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável Temperaturas de Transformação Eutética Velocidade de Resfriamento Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento) 6

7 T ( 0 C) 1 Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns 2 3 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita 1 - Ferro Fundido Cinzento 2 - Ferro Fundido Mesclado 3 - Ferro Fundido Branco t (tempo) Classificação dos Ferros Fundidos Ferros Fundidos Comuns Cinzentos Brancos Nodulares Ferros Fundidos Especiais Vermiculares Maleáveis Ligados 7

8 Classificação dos Ferros Fundidos Cinzento Nodular Maleável PERLÍTICO FERRÍTICO BAINÍTICO Branco MARTENSÍTICO Vermicular Ferro Fundido Tipo σ t Mpa σ esc Mpa Along. (5cm) Aplicações Típicas Perlítico <1% Blocos de motor Cinzento (3,2 C - 2 Si) Martensítico nulo Superfícies sujeitas ao desgaste Bainítico nulo Eixos de cames Ferrítico < 1% Tubulações, bases de máquinas Nodular (3,5C - 2,5Si) Maleável (2,2C - 1Si) Branco (3,5 C - 0,5Si) Ferrítico Tubulações Perlítico Árvore de manivela Revenido Partes especiais de Martensítico Ferrítico máquinas Ferramentas em geral Perlítico Equipamentos ferroviários Revenido Martensítico Equipamentos ferroviários Perlítico nulo Produtos resistentes ao desgaste 8

9 Ferro Fundido Cinzento grafita em lamelas (veios) Ferro Fundido Nodular grafita em nódulos (esferoidal) Ferro Fundido Vermicular ou de Grafita Compacta grafita vermicular Ferro Fundido Maleável ferrita, nódulos de grafita e algumas inclusões 9

10 Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente Perlítica Com a presença de Estruturas conhecidas como Olho de Boi (Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x. Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica. Ataque: Nital. Aumento 200x. 10

11 Classificação Geral das Ligas de Al Ligas de Fundição Ligas de Conformação ou Trabalháveis Boas Propriedades de Fundição Alta ductilidade Baixa resistência mecânica Previsão através de: - Diagramas de Equilibro - Composição Química Flow chart to Aluminum alloy selection 11

12 Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundição: elementos usualmente presentes Elementos de liga primários (major elements): silício (Si) cobre (Cu) e magnésio (Mg) Elementos de liga secundários (minor elements): níquel (Ni) e estanho (Sn) Elementos de modificadores da microestrutura: estrôncio (Sr) - titânio (Ti) manganês (Mn) boro (Bo) cromo (Cr) fósforo (P) e berílio (Be) Elementos considerados impurezas: ferro (Fe) cromo (Cr) e zinco (Zn) Diagramas de Equilíbrio Importantes Al Si Reação eutética excelente fluidez e baixa contração na solidificação Al Cu Al Mg Alta solubilidade sólida maior resistência através de tratamentos térmicos 12

13 T ( o C) Diagrama Al-Si Ponto Eutético Si 12,6 % T = C L 1430 Ligas de fundição mais utilizadas 660 α α + L α + β 577 L + β β Al 12,6 Si dos metais e suas ligas Professor: Guilherme Verran Diagrama de equilíbrio Al-Si (AFS Aluminum Casting Technology, 1993) 13

14 DIAGRAMA Al-Si LIGAS DE Al PARA FUNDIÇÃO T ( o C) 1430 L 660 α α + Si C β Al Si Ligas de Fundição Si - 5 a 24% Classificação das ligas Al-Si em função do teor de Si T ( o C) Ligas Eutéticas - Excelentes propriedades de fundição -Fragilidade em função da morfologia do Si Ligas Hipoeutéticas Mais utilizadas: L - Boas propriedades de fundição - Moderadas propriedades mecânicas - Melhores propriedades mecânicas com adição de outros elementos (Cu, Mg,...) Ex.: 356 Al7Si0,3Mg α β 319 Al6Si3,5Cu Al Si Ligas Hipereutéticas - Aplicações especiais (alta resistência ao desgaste) 14

15 Diagrama Al-Cu T ( 0 C) Maior região de solubilidade sólida C α+l L α 5,65Cu C 33Cu Ligas aceitam tratamento de solubilização Al α + CuAl 2 %Cu Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Cr Reduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em ligas AlMgZn Refinador de grão Mn Incrementa a resistência à tração em ligas com Cu ou Si Refinador de grão 15

16 Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Refinador de grão Ti Incrementa a resistência à tração e a ductilidade Diminui a condutividade térmica Bo Refinador de grão Ti - Bo Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Sr Na Ca - St Modificadores do Si 16

17 Importância dos elementos de liga Elementos que formam precipitados endurecedores: Fe Zn Ni Elementos que atuam como refinadores de grãos: Ti Bo Cr Mn Propriedades de Fundição Influência dos Elementos de Liga Si Aumenta fluidez Reduz a contração volumétrica externa FUNDIBILIDADE Cu Reduz fluidez Provoca fragilidade a quente Reduz a contração interna FUNDIBILIDADE 17

18 Influência dos Elementos de Liga Propriedades de Fundição Mg Aumenta tendência a oxidação formação de borras Fe Reduz aderência do metal à coquilha Zn Elevados teores provocam fragilidade a quente e alta contração Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Melhora estanqueidade Si Reduz coeficiente de expansão Melhora soldabilidade Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão 18

19 Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Endurecedor aumenta a resistência mecânica nas ligas brutas de fusão e tratadas térmicamente Cu Reduz a resistência à corrosão Melhora a usinabilidade Propriedades dos Fundidos Influência dos Elementos de Liga Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a usinabilidade Mg Permite as melhores combinações de resistência mecânica e à corrosão Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as ligas Al-Si tratáveis térmicamente 19

20 Propriedades dos Fundidos Influência dos Elementos de Liga Zn Pequenas adições (em combinação com o Mg) produzem boa resistência ao impacto, alta resistência à tração e excelente ductilidade Ni Melhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas Influência dos Elementos sob a Forma de Impurezas Ni Diminui resistência à corrosão e endurece a matriz (forma intermetálicos) Zn Aumenta oxidação do Al, as perdas na fusão e o ataque aos refratários (forma pontos duros) Pb Não é miscível no Al líquido 20

21 Si Fe 3 SiAl 2 (claro) Dendritas de Solução Sólida (Alα) Liga Al5Si (443) Fundida em Areia Liga Hipoeutética MATRIZ Microestrutura das Ligas Hipoeutéticas Dendritas Celulares de Alα ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA Partículas de Si eutético Tonalidade de Cinza Fe 3 SiAl 2 Fe 2 Si 21

22 Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg) Fundida em Coquilha D C A B C A = Dendritas de Solução Sólida α B = Rede Interdendrítica de CuAl 2 (cinza claro) C = Agulhas de Cu 2 FeAl 7 (cinza médio) D = Partículas de Si (cinza escuro) Modificação de Ligas Al-Si Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleantes) como Na Sb Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente dispersas na Matriz de Alα A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de C o Na e os outros agentes modificadores tendem a deslocar composição e a temperatura de equilíbrio eutético de modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas mantendo-se as características de fundição inerentes às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiramente hipoeutéticas Principal Consequência Aumento da Resistência e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas. 22

23 T ( o C) 1430 L 660 α + L L + Si α Al 12,6 14,2 α + Si Si Si Eutético Normal 12,6% Si T = C Eutético Modificado 14,2% Si T = C Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em Moldes de Areia HF 100x Bruto de Fusão Partículas aciculares de Si Modificado com 0,025%Na Partículas de Si menores e arredondadas 23

24 Liga Modificada com Na Propriedades Mecânicas da Liga A356 Bruta de Fusão e Modificada com Na em função do tamanho dos grãos. Propriedades Mecânicas de Ligas de Al para Die Casting Ensaio de Tração Liga (SAE) Composição Nominal σ esc (Mpa) σ max (Mpa) Alongamento (%) Al9,5Si0,5Mg ,0 A380.0 Al8,5Si3,5Cu Al11,2Si3,8Cu Al17Si4,5Cu0.6Mg , , ,0 24

25 Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al Ligas de Fundição Tratamentos do Banho Refino de Grão Modificação do Si Refino da Matriz (α) Refinamento e coalescimento das partículas de Si Tratamentos Térmicos Solubilização Precipitação (Envelhecimento) Coalescimento das partículas de Si e endurecumento por soluto Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP) Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg) F- Bruta de fusão (Investment Casting) rede interdendrítica de: Silício Eutético (cinza escuro e sharp) Cu 2 Mg 8 Si 6 Al 5 (cinza claro, script) Fe 2 Si 2 Al 9 (cinza médio, blades) Mg 2 Si (preto) F- Modificada com adição de Al-10Sr ao banho (Investment Casting) Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético estão menos pontiagudas T6 - Fundida em Coquilha, solubilizada e envelhecida. Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético ficaram mais coalescidas (arredondadas) 25

26 Liga 356 (Al7Si0,3Mg) F Bruta de fusão em areia Tamanho médio dos macrogrãos 5mm Refinada com adição de 0,05%Ti e 0,005% B Tamanho médio dos macrogrãos 1mm Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg) Bruta de fusão (investment casting) Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu 2 Mg 8 Si 6 Al 5 (cinza claro, script) Bruta de fusão (investment casting) região solidificada mais rapidamente (colocação de um resfriador) Constituintes são os mesmos, mas as dendritas celulares de α são menores e as partículas do Si eutético são menores e menos angulares. 26

27 Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Solubilizada a C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si Modificada pela adição de Na (0,025%) e Solubilizada Partículas de Si arredondadas e aglomeradas Bruta de Fusão em Areia - Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares Liga 357 (Al7Si0,5Mg) Bruta de Fusão (Premium Quality Casting) Rede interdendrítica de Si eutético (cinza); partículas de Mg 2 Si (preto) Sob maior aumento, observa-se pequenas partículas de Mg 2 Si não solubilizadas (prêto) T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente partículas de eutético e coalescidas aglomeradas pela solubilização 27

28 Heterogeneidades Microestruturais em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356) Centro da amostra Estrutura mais grosseira Superfície de fratura (MEV) baixo aumento (a)(b)(c) (d)(e) φ = 12,6mm Borda da amostra Estrutura mais refinada HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,