Ligas de alumínio para fundição

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1 Ligas de alumínio para fundição Relações entre o processo de fundição e a microestrutura Marcelo F. Moreira Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT Escola de Engenharia Mauá (011) mfmoreir@ipt.br Mercado das ligas de alumínio fundidas bens de capital util. Domesticas transportes exportação Fundidos de alumínio 2 1

2 Aplicações das ligas de alumínio Por questões de demanda, segurança e conforto, a massa dos veículos vem aumentando nos últimos anos. 3 Aplicações das ligas de alumínio Para reverter ou compensar o aumento do consumo e das emissões, é necessário reduzir a massa do veículo. As ligas de Al fundidas são empregadas em componentes do motor, da suspensão e da estrutura. 4 2

3 Aplicações das ligas de alumínio A redução de 100 kg em um automóvel a gasolina resulta em: redução de 9 g de CO 2 por km e uma redução do consumo de 0,4 litros para cada 100 km. 5 Aplicações das ligas de alumínio fundidas Componentes do motor (bloco, cabeçote, pistões tampas, carcaças e suportes) 6 3

4 Aplicações das ligas de alumínio fundidas Componentes de suspensão fundidos Componentes de suspensão fundidos em coquilha (A357 T6) 7 Aplicações das ligas de alumínio fundidas Componentes estruturais fundidos por gravidade em liga A356 T6 utilizados no space frame da F

5 Importância dos fundidos ABAL 2007 Fundição sob pressão 38% Fundição por gravidade 34% Fundição por baixa pressão 4% Produtos fundidos 20% Laminados 48% Extrudados 17% Fios e cabos 8% Pó 2% Outros 5% Produtos conformados 80% * 63% deste total é produzido com alumínio reciclado 9 Ligas de alumínio fundidas Endurecidas por meio dos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento 10 5

6 Ligas Al-Si Mais de 95% dos componentes fundidos de alumínio são produzidos com ligas do sistema Al-Si: AA SAE Processo Aplicações B Injeção Carcaças, corpos e suportes injetados. 319, Coquilha e areia Cabeçotes, carter estrutural. 339, Coquilha Pistões e polias Coquilha Rodas e componentes de geometria complexa. A356, A Baixa pressão Rodas, suportes, componentes de suspensão e cabeçotes. 11 Ligas de alumínio fundidas Família das ligas Al-Si (4xx): Liga 413: Al - 11 a 13%Si Família das ligas Al-Si-Mg (3xx): Liga 356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,50%Fe Liga A356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,20%Fe Liga A357: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,40 a 0,60%Mg e até 0,20%Fe Família das ligas Al-Si-Cu (3xx): Liga 319: Al- 5,5 a 6,5%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe Liga 380: Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe Liga 380 (injeção): Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 1,2%Fe 12 6

7 Características gerais das ligas Al-Si Baixa densidade (2,7 g/cm 3 ), Resistência moderada após tratamento térmico (LE ~ MPa); Baixa temperatura de fusão (permite fundição em moldes metálicos); Elevada fluidez, devido a presença de Si; Baixa tendência à trincas de solidificação (devido ao Si); Elevado coeficiente de transmissão de calor. 13 Características gerais das ligas Al-Si Propriedades de interesse em projetos mecânicos: Material Condutividade térmica k (W/m. C) Limite de escoamento LE (MPa) E (GPa) K IC (MPa.m 1/2 ) Densidade (kg/cm 3 ) Al-Si (A356) ,7 Ferro fundido cinzento (FF 30) Ferro fundido vermicular , ,6 Ferro fundido nodular ,6 Aço BLAR ,8 Aço inoxidável ,9 14 7

8 Propriedades de interesse das ligas Al-Si LE 0,1 Aços (800 MPa) Ligas de Al (300 MPa) Ligas de Mg (150 MPa) 15 Propriedades de interesse das ligas Al-Si 16 8

9 Características gerais das ligas Al-Si Três características terão efeitos adversos sobre o processo de fundição: 1. Elevada contração de solidificação que implicará no uso de massalotes; 17 Contração sólido-liquido A maioria dos metais apresenta um volume maior no estado líquido que no estado sólido. Assim, durante a solidificação, ocorre uma redução de volume e o componente fundido fica menor que a cavidade do molde. 18 9

10 Contração sólido-liquido Rechupes As regiões de maior módulo (relação entre volume e área) serão as últimas regiões a se solidificar. Quando estas regiões de líquido se solidificarem sofrerão uma contração, resultando em vazios internos denominados rechupes. Os rechupes são evitados com a alimentação destes volumes com metal líquido para compensar a contração. Simulação solidificação Rechupe sob raios X 19 Contração sólido-liquido Massalotes Os massalotes são os reservatórios de metal líquido para alimentar a contração em várias regiões do fundido. Para que o massalote alimente a contração de solidificação, ele deve possuir o maior módulo ou deve estar isolado termicamente, de modo a ser a última região a se solidificar

11 Características gerais das ligas Al-Si 2. Elevada reatividade com o oxigênio no estado líquido (sensibilidade à turbulência no metal líquido); 3. Elevada solubilidade de H no estado líquido e reduzida no estado sólido que resulta em elevada tendência à formação de microporosidades. Tratamento do metal líquido 21 Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição A fundição de componentes de qualidade elevada ( premium quality castings ) envolve a seleção de ligas contendo baixo teor de Fe (<0,2%), submetidas aos tratamentos de modificação do eutético Al-Si, de refino de grãos, de desgaseificação e limpeza e retenção de inclusões de óxidos. Estes fundidos são produzidos em moldes metálicos e tratados termicamente (T6)

12 Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição Fluxograma do processo de fundição para de componentes premium quality castings : Liga A356/A357 Fe < 0,20% Modificação com Sr Sr = ppm Refino de grãos com Al-5Ti-1B %Ti ~0,15% Fundição em molde metálico SDAS entre 20 e 40 m Escorificação e vazamento sem turbulência Desgaseificação em rotor com N 2 ou Ar UP 7 minutos Solubilização e envelhecimento T6 23 Exemplo de micrografia A357 (cabeçote G&W Q= 419 MPa) 25 x 200 x 100 x 400 x 24 12

13 Temperatura Microestruturas características das ligas de alumínio fundidas Microestrutura típica das ligas Al-Si Liquido A356 A357 7%Si; 0,2% Fe 0,3% - 0,5% Mg %Si, 0,2% Fe + L + Si + Si Al 7 12,5 %Si 26 13

14 Microestrutura típica das ligas Al-Si Liga A356 (7%Si+0,35%Mg) com tratamento térmico Liga A413 (11%Si sem tratamento térmico 200 x 200 x 27 Dendritas da fase 600 C Núcleos da fase líquido 28 14

15 Dendritas da fase 595 C Crescimento de dendritas de líquido 29 Dendritas da fase 590 C Crescimento de dendritas de líquido 30 15

16 Dendritas da fase SDAS 585 C Crescimento de dendritas de SDAS líquido 31 Dendritas da fase 580 C Crescimento de dendritas de Líquido de composição eutética 32 16

17 Eutético - Si 577 C Formação de células eutéticas L Al + Si 33 Eutético - Si 577 C Crescimento das células eutéticas L + Si 34 17

18 Eutético - Si 577 C Crescimento das células eutéticas L + Si 35 Eutéticos secundários ( + Mg 2 Si) ( + CuAl 2 ) ( + Al 5 FeSi) 570 C Solidificação dos eutéticos secundários nos contornos de células eutéticas 36 18

19 Microestrutura Típica A356 Dendritas de fase MEV 37 Microestrutura Típica A356 Eutético modificado + Si MEV - Ataque profundo 38 19

20 Microestrutura Típica A x Mg 2 Si Eutético + Si Si = Al 8 FeMg 3 Si 6 Mg 2 Si 100 x 39 Microestrutura Típica A356 O processo de fratura ocorre nas regiões intercelulares onde existe a precipitação dos eutéticos à base de Fe e cobre (contornos de células eutéticas). 100 x 40 20

21 O problema dos intermetálicos à base de Fe A contaminação por Fe é inevitável e é crescente com a manipulação do banho metálico; A morfologia em placa do - Al 5 FeSi não é alterada pelo tratamento térmico de solubilização. Existe uma redução drástica de qualidade (Q index) com o aumento do teor de Fe. Em massa: 0,2% Fe = 0,47% -Al 5 FeSi 125 x 41 Microestrutura Típica A356 Os eutéticos à base de Fe não são dissolvidos pelos tratamentos térmicos. Assim, o teor de Fe na liga determina a fração volumétrica destes eutéticos, e conseqüentemente, a ductilidade máxima da liga. Superfície de fratura em liga com alto teor de Fe (1,3%) 100 x 42 21

22 Tratamentos de metal líquido realizados em ligas Al-Si para fundição Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição Em ligas Al-Si comerciais aplicam-se os seguintes tratamentos de metal líquido: Desgaseificação; Modificação do eutético Al-Si; Refino de grãos e Limpeza e retenção de inclusões de óxidos

23 Desgaseificação Formação das microporosidades O alumínio líquido apresenta elevada solubilidade de hidrogênio (H). A forma mais comum de absorção de hidrogênio decorre da umidade do ar, pela reação: H 2 O (v) + 2/3 Al (L) 1/3 Al 2 O 3 + 2H Hidrogênio dissolvido no metal líquido 46 23

24 Formação das microporosidades Elevada solubilidade de H no estado líquido e baixa no estado sólido (somente 5% do H é solúvel no sólido); Conseqüência é uma elevada tendência à formação de microporosidades na peça solidificada. 47 Efeito das microporosidades Microporosidades dispersas homogeneamente pelo fundido (decorrentes do elevado teor de hidrogênio no líquido). 50 x 48 24

25 Efeito das microporosidades A presença de microporosidades decorrentes de hidrogênio promove redução da ductilidade (A%), da resistência mecânica (LE 0,2% e LR) e da resistência à fadiga. 49 Desgaseificação Desgaseificação com gás nitrogênio e rotor: Promove a geração de uma nuvem de bolhas de nitrogênio de pequeno diâmetro com maior tempo de permanência no banho e pequena agitação da superfície (turbulência). O processo possui elevada eficiência de desgaseificação (remoção de hidrogênio dissolvido no líquido) e na limpeza de inclusões de óxidos em suspensão

26 Desgaseificação Rotor de desgaseificação sobre o forno de espera Demonstração do rotor de desgaseificação em água 51 Desgaseificação Como a atividade de hidrogênio no banho de Al é maior que no gás (N 2 ), ocorre difusão de hidrogênio do banho para a bolha de nitrogênio. Rotor desgasseificador N 2 H N 2 Al líquido 52 26

27 Desgaseificação Efeito do tempo de desgaseificação (min) em rotor sobre a macroestrutura de corpos-de-prova solidificados sob vácuo. Tempos em minutos 0 após fusão 2 2 minutos de rotor 3 3 minutos de rotor 4 4 minutos de rotor 6 6 minutos de rotor 7 7 minutos de rotor 53 Modificação do eutético Al-Si 27

28 Modificação do eutético Ligas fundidas Al-Si Efeito da modificação do eutético Al-Si: Diminui o tamanho das partículas de silício do eutético e altera a morfologia destas partículas de acicular para fibrosa, A alteração de morfologia e o refino das partículas aumenta a ductilidade das ligas e Efeito colateral importante: aumento do nível de microporosidades. 55 Modificação do eutético Ligas fundidas Al-Si Modificação do eutético Al-Si com Estrôncio (Sr): Adição típica 0,01% Sr na forma de ante liga Al-10% Sr, Baixa reatividade com cadinhos, Baixa pressão de vapor tornando o efeito do tratamento longo (de 2 a 4 horas), Apresenta problemas de supermodificação para adições superiores a 0,025%

29 Modificação do eutético Al-Si Adição de Al-10%Sr Sino de grafita Adição de Al-10Sr por meio de sino de grafita no banho de Al Adição típica: 100 g de Al-10Sr para 100 kg de liga Banho de Al líquido 57 Modificação do eutético MO Estrutura do eutético Acicular (sem modificação) Fibrosa (modificada) Liga: Al- 7% Si 0,3% Mg (A356) LR [MPa] A% [%] Liga: Al 11%Si (A413) LR [MPa] A% [%]

30 Sem modificação Modificação do eutético Al-Si MO Tratamento de modificação: Sem modificação Modificado com Sr 200 x 200 x 59 Modificação do eutético MEV 250 x 1000 x 500 x 2000 x 60 30

31 Modificado com Sr Mecanismo de fratura das ligas Al-Si Fratura frágil baixa ductilidade (1% - 2%) Sem modificação 400 X 61 Modificação do eutético MEV 250 x 2000 x 500 x 4000 x 62 31

32 Mecanismo de fratura das ligas Al-Si Fratura dúctil maior ductilidade (5% - 10%) Modificado com Sr 400 X 63 Tratamentos térmicos em ligas Al-Si para fundição 32

33 Ligas tratáveis termicamente Em aplicações de construção mecânica que requerem limites de escoamento superiores a 150 MPa são empregadas ligas fundidas tratáveis do sistema Al-Si (contendo Cu, Mg ou Zn) submetidas aos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. O envelhecimento é, normalmente, o tratamento T6. 65 Ligas tratáveis termicamente Endurecidas por meio dos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento 66 33

34 Ligas tratáveis termicamente São endurecidas por meio dos tratamentos térmicos de solubilização e de envelhecimento. O mecanismo de endurecimento é a dispersão de partículas coerentes pela matriz, visando restringir a movimentação de discordância e aumentar a resistência mecânica. MET x 67 Ligas tratáveis termicamente Os precipitados endurecedores são: Mg 2 Si, CuAl 2 e Zn. Assim a liga tratável termicamente a liga precisa conter em sua composição: Cu Mg e Si Zn e Mg Partículas coerentes de CuAl 2 ( ) Partículas coerentes de Mg 2 Si ( ) Partículas coerentes de Zn 2 Mg ( ) 68 34

35 Temperatura Solubilização e envelhecimento Solubilização Envelhecimento T6 em 7149 Temperatura e tempo de envelhecimento definidos pela resistência mecânica (T4, T6 ou T7) Resfriamento em água Resfriamento ao ar + ( e ) + tempo 69 Endurecimento por precipitação Solubilização No caso das ligas Al-Si-Mg, o tratamento de solubilização (entre 470 C e 540 C) promove a redução de segregação interdendrítica, dissolução de Mg e a esferoidização das partículas de Si. Todas as etapas do tratamento (aquecimento, residência e resfriamento) deste ciclo térmico afetam as propriedades mecânicas finais do fundido

36 Endurecimento por precipitação Solubilização Efeito do tempos de solubilização (540 C) nas partículas de Si em liga A356: (a)- 1,5 min (b)- 5,5 min (c)- 19,5 min (d)- 6 h 71 Endurecimento por precipitação Solubilização 72 36

37 Envelhecimento (T6) T6 representa a resistência máxima, relacionada à maior e mais homogênea dispersão de precipitados coerentes e semicoerentes. W W MET x 73 Dispersão de precipitados (Mg 2 Si) em liga A356 Tamanho das partículas da fase Mg 2 Si precipitada em liga A356 solubilizada a 535 C: 170 C - 60 minutos 190 C - 60 minutos 205 C - 60 minutos 74 37

38 Referências 1) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International ) Gruzleski, J. E. ; Closset, B. M. The treatment of liquid aluminum-silicon alloys The American Foundrymen s Society - AFS ) Fuoco, R. Curso de fundição de ligas de alumínio - Acervo técnico IPT 4) Sigworth, G. K production of High quality strutural casting AFS International Conference in Aluminum castings ) Mohanti, P. S.; Gruzleski, J. E. mechanism of grain refinement in aluminum Acta Metall. Mater v.43 n.5 p ) Closset B.; Gruzleski, J. E. Structure and properties of hypoeutectic Al-Si-Mg alloys modified with pure strontium Met. Trans. A. june 1982 p ) Moreira, M. F. Acervo de Relatórios técnicos IPT 8) Moreira, M.F.; Fuoco R. Aspectos da fratura por fadiga em componentes fundidos em ligas de alumínio Anais do II Congresso Internacional do Alumínio, 23 a 25 de agosto de 2005, São Paulo, Brasil 9) Fuoco, R.; Corrêa E. R. Incipient melting in heat treatment of Al-Si-Mg and Al-Si-Cu alloys AFS transactions 2002 paper