INFLUÊNCIA DO FERRO NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA AlSi9Cu3(Fe)

1 SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA - SOCIESC INSTITUTO SUPERIOR TUPY - IST INFLUÊNCIA DO FERRO NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA AlSi9Cu3(Fe) MAICON PEREIRA ORIENTADOR: JAIR MARQUES JUNIOR Joinville, Dezembro / 2005.

2 MAICON PEREIRA INFLUÊNCIA DO FERRO NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA AlSi9Cu3(Fe) Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Superior Tupy, como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Bacharelado em Engenharia de Fundição.

3 INFLUÊNCIA DO FERRO NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA AlSi9Cu3(Fe) Este trabalho de conclusão de curso foi julgado adequado para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia de Fundição, e aprovada em sua forma final pelo Departamento de Materiais do Instituto Superior Tupy. Joinville, 15 de Dezembro de 2005. Jair Marques Junior Orientador Rosineide Junkes Lussoli Coordenadora do Curso Banca Examinadora: Rosineide Junkes Lussoli Presidente da Banca Iberê R. Duarte Membro da Banca Giselle Isabel Rezende Membro da Banca

4 Dedico este trabalho aos meus pais por terem sempre me apoiado nos estudos, dando condições e cobrando resultados, visando sempre o meu desenvolvimento pessoal e profissional.

5 AGRADECIMENTOS Gostaria de registrar meus agradecimentos a todos que contribuíram para a elaboração deste projeto. Professores, Mestres e Coordenadores do IST, que transmitiram seus conhecimentos e sua experiência a fim de concluir o curso e elaborar de forma eficiente este trabalho. Quero também de prestar reconhecimento aos meus pais, por ter me dado educação e oportunidade para me tornar uma pessoa de bem e ser digno em meu caminho, assim como toda a família. Finalmente não posso deixar de expressar minha gratidão à Wetzel, empresa na qual trabalho, aos companheiros de trabalho, aos amigos, pela paciência e pelo total apoio à realização desta pesquisa.

6 Um excelente educador não é um ser humano perfeito, mas alguém que tem serenidade para se esvaziar e sensibilidade para aprender. Augusto Cury.

7 RESUMO O presente trabalho contém informações sobre a influência do ferro na microestrutura e propriedades mecânicas da liga AlSi9Cu3(Fe), que é utilizada no processo de fundição sob pressão. Foram injetados corpos de prova, e realizado ensaios metalográficos e ensaios mecânicos de dureza, densidade e tração, onde também foi avaliado alongamento em 50mm e tensão de escoamento. As composições utilizadas continham respectivamente 0,47, 0,82 e 1,45% de ferro como elemento de liga. Os resultados obtidos neste trabalho foram discutidos e comparados à literatura.

8 ABSTRACT The present work has information about the iron influence in microstructure and mechanical properties of AlSi9Cu3(Fe) alloy, that generally is used in high pressure die casting process. Were produced body tests, and were realized metallographic tests and mechanical tests of density, hardness and tensile strength, were, were evaluated elongation in 50 mm and yeld strength too. The chemical composition have respectively 0,47, 0,82 and 1,45 percent of iron like alloying element. The results obtained in this work were discussed and compared with the literature.

9 LISTA DE FIGURAS Figura n 1 Esquema das fases de injeção...19 Figura n 2 Pontos de soldagem em um ferramental de Fundição Sob Pressão...21 Figura n 3 Primeira etapa de formação de soldagem...22 Figura n 4 Segunda etapa de formação de soldagem...23 Figura n 5 Terceira etapa de formação de soldagem...23 Figura n 6 Quarta etapa de formação de soldagem...24 Figura n 7 Quinta etapa da formação de soldagem...24 Figura n 8 Diagrama de Equilibrio Alumínio Silício...26 Figura n 9 Formação de compostos aciculares na microestrutura...38 Figura n 10 Formação de compostos de escrita chinesa na microestrutura...39 Figura n 11 Formação de sludge na microestrutura...40 Figura n 12 Gráfico de Gobrecht e Jorstad mostrando a formação de sludge...40 Figura n 13 Efeito do aumento do ferro nas propriedades da liga AlSi7MgTi...43 Figura n 14 Seção da amostra do ensaio metalográfico...50 Figura n 15 Seções das amostras do ensaio de dureza...51 Figura n 16 Micrografia da composição A com aumento de 200X...53 Figura n 17 Micrografia da composição A com aumento de 500X...54 Figura n 18 Micrografia composição B com aumento de 200X...55 Figura n 19 Micrografia composição B com aumento de 500X...55 Figura n 20 Micrografia da composição C com aumento de 200X...56 Figura n 21 Micrografia da composição C com aumento de 500X...56 Figura n 22 Compostos de escrita chinesa formados na composição C...57 Figura n 23 Compostos poligonais formados na composição C...57 Figura n 24 Evolução da dureza com o aumento do teor de ferro na liga...59

10 Figura n 25 Principais elementos endurecedores...60 Figura n 26 Gráfico dos resultados do ensaio de densidade...61 Figura n 27 Comparação entre os valores especificados de tensão máxima e tensão de escoamento, com os valores obtidos...63 Figura n 28 Porosidades encontradas na estrutura ca composição A...64 Figura n 29 Porosidades encontradas na estrutura ca composição B...64 Figura n 30 Porosidades encontradas na estrutura da composição C...65

11 LISTA DE TABELAS Tabela n 1 Tempo de enchimento de peças injetadas...16 Tabela n 2 Velocidade do metal no canal de ataque...17 Tabela n 3 Composição das principais ligas utilizadas em fundição sob pressão...27 Tabela n 4 Propriedades mecânicas das principais ligas utilizadas no processo de fundição sob pressão...43 Tabela n 5 Composição da liga inicial AlSi10Mg...46 Tabela n 6 Composição da liga AlSi9Cu3(Fe) após adição de Cu, Mn e Fe...47 Tabela n 7 Composição A...48 Tabela n 8 Composição B...49 Tabela n 9 Composição C...49 Tabela n 10 Resultados do ensaio de dureza brinell...58 Tabela n 11 Resultados obtidos no ensaio de densidade...61 Tabela n 12 Resultados obtidos no ensaio de tração...62

12 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...14 2 REVISÃO DA LITERATURA...15 2.1 HISTÓRICO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO...15 2.2 CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO...16 2.2.1 Fases de injeção...17 2.2.2 Vantagens do processo de fundição sob pressão...20 2.2.3 Desvantagens do processo de fundição sob pressão...20 2.3 SOLDAGEM EM LIGAS DE ALUMÍNIO...21 2.3.1 Mecanismos de soldagem...22 2.4 LIGAS DE ALUMÍNIO PARA FUNDIÇÃO...25 2.5 CARACTERÍSTICAS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO...26 2.5.1 Ligas hipoeutéticas...27 2.5.2 Ligas eutéticas...28 2.5.3 Ligas hipereutéticas...29 2.6 PRINCIPAIS IMPUREZAS...29 2.6.1 Hidrogênio...30 2.6.2 Oxigênio...31 2.7 EFEITO DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS NAS LIGAS INJETADAS...31 2.7.1 Silício...32 2.7.2 Cobre...32 2.7.3 Manganês...33 2.7.4 Magnésio...33 2.7.5 Titânio...34

13 2.7.6 Cromo...34 2.7.7 Níquel...35 2.7.8 Zinco...35 2.8 INFLUÊNCIA DO FERRO NAS LIGAS DE ALUMÍNIO...36 2.8.1 Formação dos compostos intermetálicos...37 2.8.2 Formação do composto acicular...37 2.8.3 Formação do composto escrita chinesa...38 2.8.4 Formação do composto poligonal...39 2.9 INFLUÊNCIA DO FERRO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS...42 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...44 3.1 LISTA DE MATERIAIS...44 3.2 LISTA DE EQUIPAMENTOS...45 3.3 DESCRIÇÃO DAS ETAPAS...46 3.3.1 Fusão...46 3.3.2 Tratamento do metal líquido...47 3.3.3 Injeção dos corpos de prova...48 3.4 ENSAIOS REALIZADOS...50 3.4.1 Ensaio metalográfico...50 3.4.2 Ensaio de densidade...50 3.4.3 Ensaio de dureza...51 3.4.4 Ensaio de tração...52 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO...53 5 CONCLUSÃO...66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...67

14 1 INTRODUÇÃO A fundição de ligas de alumínio vem crescendo a cada ano no Brasil, onde este crescimento acentuado se dá principalmente devido ao aumento da utilização de metais leves na fabricação de carros e caminhões pela indústria automotiva, bem como a indústria de motocicletas. No grupo destes metais pode-se destacar o Alumínio e suas inúmeras ligas que estão substituindo pouco a pouco, outros materiais reduzindo o peso dos automóveis e aumentando sua autonomia. Atualmente no Brasil em média 45kg de alumínio são utilizados por veículo, esse número vem crescendo a cada ano, mas está longe dos valores praticados na Europa e nos Estados Unidos que respectivamente chegam a 95 e 124 kg por automóvel. Para garantir os requisitos de qualidade das montadoras, cada vez mais vem se desenvolvendo ligas especiais com melhores propriedades mecânicas e processos modernos de fundição, sendo que o processo sob pressão é destaque em volume de peças produzidas e lidera o ranking como meio mais utilizado para fabricação de peças em alumínio. Uma das maiores dificuldades do processo de fundição sob pressão, é ocasionada pela reação entre o alumínio e o ferro das matrizes metálicas. Essa reação físico-química causa aderência de alumínio nas cavidades, gerando perda de produtividade e desgaste acentuado dos ferramentais. Para minimizar essa reação é adicionado ferro nas ligas injetadas, porém o ferro adicionado forma compostos intermetálicos extremamente duros, prejudicando a usinabilidade das ligas, além de fragilizar o material devido à morfologia dos compostos. Baseando-se nestas dificuldades, foi elaborada uma pesquisa para verificar a influência do ferro na microestrutura e propriedades da liga AlSi9Cu3(Fe), onde o capítulo 2 contém a revisão bibliográfica, descrevendo o processo de fundição, suas ligas e o que existe na literatura sobre a influência do ferro. No capítulo 3, está relatado o procedimento experimental realizado, sendo que os capítulos seguintes 4 e 5, são compostos por resultados obtidos, discussão, e conclusão do trabalho.

15 2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 HISTÓRICO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Os primeiros equipamentos para Fundição sob Pressão foram desenvolvidos a partir do século XIX, mais especificamente em 1849, quando Sturgiss patenteou a primeira injetora para produção de peças para máquina de impressão. Já em 1868, Charles Babbage desenvolveu outra injetora com o objetivo de produzir componentes para sua máquina de calcular. Estas peças eram engrenagens bastante finas, com diâmetro aproximado de 160 mm e 80 dentes. Em 1877, as máquinas foram usadas para produção de corpos de mancais para locomotivas. A partir daí, vários outros tipos de peças começaram a ser produzidas e iniciou-se um grande mercado para peças injetadas. Com a revolução industrial em expansão, iniciou-se a produção de peças em grande escala para a indústria automobilística. O maior desafio para estas empresas de fundição foi a escolha do tipo de liga a ser utilizada. As ligas de zinco foram largamente utilizadas em processo de câmara quente, mas o alumínio apareceu como principal material para o processo de câmara fria. Grandes avanços na área metalúrgica foram alcançados até a década de 30. Durante o período de guerra o processo de fundição sob Pressão teve um amplo desenvolvimento, principalmente na indústria aeronáutica, mas foi nas décadas de 50 e 60 que esta indústria teve seu grande apogeu, principalmente nos EUA e Japão, entrando na década de 70 com grande competitividade e equipamentos cada vez mais sofisticados. A década de 80 foi marcada pela grande transição, de empresa de arte (tentativa e erro) para uma indústria de alta tecnologia com grande investimento em pesquisas. Atualmente o processo de fundição sob pressão é responsável por cerca de 70% das peças fundidas em ligas de alumínio [1].

16 2.2 CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO A fundição sob pressão ou injeção é o processo mais utilizado na produção de peças fundidas em alumínio. As principais características do processo são: a utilização de moldes metálicos, o rápido tempo de enchimento das cavidades e a aplicação de pressão durante a solidificação. A utilização de moldes metálicos permite a fabricação de peças com excelente acabamento superficial e elevada precisão dimensional. Este tipo de molde impõe uma elevada velocidade de extração de calor (20 a 30ºC/s), favorecendo a rápida solidificação das peças injetadas. O preenchimento rápido permite a produção de peças que apresentam geometria complexa e espessuras de parede de até 2,0 mm. Como os tempos de enchimento são extremamente curtos, as matrizes podem trabalhar em temperaturas relativamente baixas em torno de 200 a 250ºC. Estas baixas temperaturas de trabalho aumentam a vida das ferramentas e realçam ainda mais a elevada velocidade de resfriamento imposta às peças fundidas neste processo. Tabela 1 Tempo de enchimento de peças injetadas. Espessura da parede da peça (mm) Tempo de enchimento (segundos) 1,5 0,01-0,03 1,8 0,02-0,04 2,0 0,02-0,06 2,3 0,03-0,07 2,5 0,04-0,09 3,0 0,05-0,10 2,8 0,05-0,12 5,0 0,06-0,20 6,4 0,08-0,30 Adaptado Teoria fundamental do processo de fundição sob pressão (2001, p. 64).

17 Para garantir os curtos tempos de enchimento (tabela 1), são aplicadas elevadas velocidades ao fluxo de metal, geralmente entre 20 e 60 m/s nos canais de ataque (tabela 2). Duas conseqüências importantes decorrem desta característica: a) O jato de metal líquido impede a utilização de tintas para proteção das ferramentas, promovendo desgaste erosivo localizado nos pontos de incidência direta de fluxo, facilitando o ataque do metal líquido à matriz metálica, gerando defeitos como soldagem. Este último aspecto praticamente obriga a utilização de elevados teores de ferro nas ligas de alumínio, apesar do seu efeito fragilizante; b) A elevada velocidade de injeção impõe o preenchimento da cavidade em regime extremamente turbulento. Como as ligas de alumínio são extremamente sensíveis à oxidação, a turbulência do preenchimento promove a formação de uma grande quantidade de inclusões de óxidos na forma de filmes, bem como aprisiona bolhas de ar, particularmente nas regiões de encontro de fluxo de metal. Tabela 2 Velocidade do metal no canal de ataque. Espessura da parede da peça (mm) Velocidade do metal no ataque (m/s) 0,8 46-55 1,2-1,5 43-52 1,9-2,3 40-49 2,5-2,8 37-46 2,8-3,8 34-43 4,5-5,0 31-40 6,3 28-35 Fonte: Teoria fundamental do processo de fundição sob pressão (2001,p.60).

18 As inclusões de óxido, as bolhas de ar aprisionadas e o efeito fragilizante do ferro são os principais responsáveis pela maior limitação das peças produzidas por este processo, a baixa ductilidade. Tipicamente, as peças injetadas apresentam alongamento médio inferior a 2%, tornando os fundidos frágeis ao impacto. O uso de elevadas pressões durante a solidificação das peças favorece a alimentação das contrações de solidificação através dos canais de enchimento. Esta característica permite a produção de peças isentas de porosidades, entretanto exige um projeto de canais que privilegie, ao mesmo tempo, o enchimento das peças e a alimentação das concentrações de solidificação [2]. 2.2.1 Fases de injeção O processo de injeção é constituído por três fases (figura1): a) Primeira fase: na primeira fase tem-se a aproximação lenta do pistão visando expulsar todo o ar contido na câmara de injeção. No final deste estágio o nível de metal deve chegar até o início do sistema de canais; b) Segunda fase: é a injeção propriamente dita, responsável pelo enchimento da cavidade. A velocidade do pistão atinge valores da ordem de 2 a 5 m/s resultando em velocidades do metal nos canais de ataque da ordem de 20 a 60 m/s; c) Terceira fase: também conhecida como compactação ou recalque, nesta fase a pressão exercida pelo pistão sobre o metal é máxima podendo atingir valores entre 400 e 1300 kgf/cm², ocorrendo a alimentação das contrações de solidificação e o fechamento parcial das bolhas de ar preso. É importante destacar que a pressão exercida pelo pistão só será transmitida para a cavidade do molde, caso os canais não tenham

19 solidificado totalmente, portanto, os canais devem permanecer líquidos por mais tempo que a peça, ou seja, a solidificação deve ser direcional no sentido dos canais. Em caso contrário, haverá formação de rechupes [3]. A D B E C F Figura 1 Esquema das fases de injeção. Fonte: Apostila fundição sob pressão (2002, p. 13). A Dosagem do metal na câmara de injeção; B Início da primeira fase; C Fim da primeira fase (metal posicionado nos canais de ataque); D Segunda fase; enchimento da cavidade em alta velocidade; E Fim da segunda fase; F Terceira fase (compactação / recalque).

20 2.2.2 Vantagens do processo de fundição sob pressão a) Alta produtividade; b) Excelente precisão dimensional; c) Redução de trabalhos de usinagem, sendo possível até sua eliminação; d) Excelente acabamento superficial no estado bruto; e) Produção de peças de espessura bastante reduzidas (2 mm ou menos em casos específicos); f) Possibilidade de uso de insertos metálicos; g) Menor custo de produção por peça, devido à elevada vida útil dos ferramentais. 2.2.3 Desvantagens do processo de fundição sob pressão a) Elevado custo de máquinas injetoras e de sua manutenção; b) Elevado custo das matrizes e de sua manutenção; c) Deficiente qualidade interna dos produtos, devido ao aparecimento de bolhas de gás, o que reduz suas características mecânicas; d) Normalmente, nenhuma aptidão à soldagem; e) Normalmente, nenhuma aptidão a tratamentos térmicos; f) Restrições quanto ao tamanho da peça e à espessura.

21 2.3 SOLDAGEM EM LIGAS DE ALUMÍNIO Um dos defeitos mais comuns em ligas de alumínio em matrizes metálicas é a soldagem (Figura 2). A soldagem é formada devido a grande afinidade química entre os elementos ferro e alumínio. Durante o preenchimento do molde e na solidificação, o alumínio da liga em estado líquido reage fisico-quimicamente com o ferro contido na matriz gerando aderência de liga de alumínio na superfície do molde [4]. Essa camada formada na matriz é extremamente prejudicial para a qualidade das peças fundidas, podendo acarretar em defeitos como trincas (mecânicas) devido ao maior esforço durante a extração, empenamento, defeitos dimensionais, bem como visuais. Além de gerar defeitos nos fundidos, a soldagem reduz a vida útil da matriz e seus componentes, ocasionando excessiva perda de produtividade devido ao tempo necessário para remoção da camada aderida, que geralmente se faz mecânicamente através de lixamento e posterior polimento [5]. Soldagem (pontos brancos) Figura 2 Pontos de soldagem em um ferramental de Fundição Sob Pressão. Fonte: Foto cedida por Wetzel S/A Divisão Alumínio.

22 2.3.1 Mecanismos de Soldagem O mecanismo de formação de soldagem é controlado por difusão, onde a camada que adere à matriz é formada em uma sequência de cinco etapas. Etapas de formação de soldagem [6]: a ) O início da formação de soldagem se dá em função do ataque inicial do alumínio aos contornos de grão e lamelas de martensita na matriz metálica durante o preenchimento do molde (Figura 3); Aluminium Figura 3 Primeira etapa de formação de soldagem. Fonte: Characteristics of aluminium die casting alloys (2004, p.102). b ) Na segunda etapa ocorre a formação de fases binárias Fe-Al nos contornos de grão da superfície da matriz. Erosão nos contornos de grão, acentuam a formação das primeiras fases, devido a uma maior penetração do metal nos interstícios do material do ferramental (Figura 4);

23 Figura 4 Segunda etapa de formação de soldagem. Fonte: Characteristics of aluminium die casting alloys(2004, p.102). c ) Após a formação de fases binárias inicia-se o crescimento de pirâmides de fases ternárias (Al,Fe,Si), que servirão de pontos de ancoragem para iniciar a soldagem (Figura 5); Figura 5 Terceira etapa de formação de soldagem. Fonte: Characteristics of aluminium die casting alloys(2004, p.102). d ) O crescimento das camadas intermetálicas é intenso após a formação das pirâmides (Figura 6), iniciando-se então a aderência do alumínio na fase ternária (Al,Fe,Si)

24 Figura 6 Quarta etapa de formação de soldagem. Fonte: Characteristics of aluminium die casting alloys(2004,p.102). e ) A última etapa é definida pelo crescimento da camada de liga de alumínio sobre as duas camadas intermetálicas formadas, chegando ao fim do mecanismo de formação e conseqüente crescimento da camada de soldagem (Figura 7). Figura 7 Quinta etapa da formação de soldagem. Fonte: Characteristics of aluminium die casting alloys(2004, p.102).

25 2.4 LIGAS DE ALUMÍNIO PARA FUNDIÇÃO Existem inúmeras possibilidades de combinações de elementos químicos com o alumínio. Estas combinações denominadas de ligas de alumínio têm como objetivo principal melhorar as propriedades mecânicas da liga e conferir outras propriedades de uso ou características de fundição. Assim as Ligas de Alumínio de uso comercial tem na sua composição química: a) Elementos Principais: responsáveis pelas propriedades mecânicas como Cobre, Silício, Magnésio, Manganês, Zinco; b) Elementos Secundários: cujos percentuais são menores e tem como objetivo uma ação específica para se obter determinada propriedade de uso ou característica de fundição como: Níquel, Ferro, Berílio; c) Elementos modificadores, refinadores ou neutralizadores: usados em pequenos percentuais com a finalidade de alterar a microestrutura, obtendo-se melhores propriedades ou características de processo como Titânio, Sódio, Estrôncio, Boro; d) Elementos tidos como impurezas: os quais devem ser controlados ou balanceados de maneira mais rigorosa como: Chumbo, Cromo, Cálcio, entre outros, que em geral exercem influência perniciosa sobre certas propriedades ou características de fundição. e) Os elementos, prata, gálio, germânio, são muito caros, e economicamente inviáveis. O lítio em função das dificuldades de processo, tem seu uso bastante restrito à ligas especiais.

26 Teoricamente as melhores combinações de resistência e ductilidade em ligas metálicas resultam de uma estrutura monofásica, onde todos os elementos estão dissolvidos na matriz. Para as ligas de alumínio isto não é possível, pois a solubilidade dos elementos é muito limitada [7]. 2.5 CARACTERÍSTICAS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO As ligas de alumínio são divididas em ligas hipoeutéticas, eutéticas e hipereutéticas, onde o ponto eutético está fixado em 12,6% de silício, conforme o diagrama Al-Si mostrado abaixo (Figura 8). Outras literaturas mostram pontos eutéticos em diagramas semelhantes, com valores entre 11,7% ou 12% de silício. Geralmente são aplicadas em fundição sob pressão ligas hipoeutéticas e eutéticas. Figura 8 Diagrama de Equilibrio Alumínio Silício. Fonte: www.infomet.com.br/diagramas_fases.

27 Liga DIN Tabela 3 Composição das principais ligas utilizadas em fundição sob pressão. Liga ASTM Si Cu Mg Fe Mn Melting Point Fluidity AlSi7Mg(Fe) 324 7-8 0,4-0,6 0,4-0,7 1,2 0,5 520-615 C 2 AlSi9Cu4Mg(Fe) 333 8-10 3-4 0,05-0,55 1,0 0,5 520-605 C 2 AlSi9Cu3(Fe) A380 7,5-9,5 3-4 0,1 1,0 0,5 520-590 C 2 AlSi11Cu4(Fe) A384 10,5-12 3-4,5 0,1 1,3 0,5 480-580 C 1 AlSi12Cu1(Fe) A413 11-13 1,0 0,1 1,3 0,35 575-585 C 1 Adaptado: Metals Hand Book Desk Edition (1985, p 55 cap.6). 2.5.1 Ligas hipoeutéticas As ligas hipoeutéticas possuem teores de silício abaixo de 12,6%, sendo que uma das ligas mais utilizadas em fundição sob pressão é a 380 (SAE 306), constituída por alumínio, silício 7,5 a 9,5%, cobre 3,0 a 4,0%, magnésio até 0,5% e ferro entre 0,8 e 1,0% (tabela 3). Estas ligas, por possuírem um menor teor de silício, tendem a uma solidificação pastosa devido a solidificação dendrítica, além de um maior intervalo de solidificação (590 520 C). As principais características destas ligas são: a) Boa Fluidez; b) Elevada resistência à formação de trincas a quente; c) Resultam em elevada estanqueidade em peças fundidas; d) Apresentam grande intervalo de solidificação.

28 A combinação de elevados teores de ferro e cobre estende a solidificação das ligas para temperaturas mais baixas, aumentando o intervalo de solidificação e garantindo uma maior capacidade de compactação da liga durante a terceira fase de injeção. Quando ligas com solidificação pastosa são utilizadas em peças injetadas, a pressão aplicada pela máquina é transmitida durante mais tempo por toda a peça através da massa pastosa, diminuindo a possibilidade de formação de rechupes em regiões de maior massa. Obviamente, para que a pressão aplicada pelo pistão se transmita para toda a peça, os canais de injeção devem ser os ultimos a se solidificar. Apesar do efeito fragilizante, o ferro é considerado um elemento de liga na fundição sob pressão por reduzir a tendência à soldagem da peça à ferramenta, diminuindo assim o ataque da liga à superfície da matriz [8]. 2.5.2 Ligas eutéticas As ligas eutéticas são ligas com teor de silício mais elevado chegando de 11 a 13%, esta liga não tem uma solidificação pastosa, ocorrendo então a transformação líquido sólido diretamente. As principais características destas ligas são: a) Excelente fluidez; b) Elevada resistência quanto a formação de trincas a quente; c) Pequenos intervalos de solidificação; d) Dificuldade de preenchimento de peças com massas isoladas. Em algumas aplicações, a liga 413 (SAE 305) (tabela 3) com composição eutética, alumínio, silício 11 a 13%, cobre máximo 1,0% e ferro entre 0,8 e 1,2%, é a preferida devido

29 a elevada fluidez. Entretanto, esta liga apresenta solidificação não pastosa que dificulta a transmissão de pressão sobre o metal em solidificação promovendo defeitos de rechupe na forma de grandes vazios concentrados nas regiões de maior massa (intervalo de solidificação 585 575 C). Desse modo a aplicação da liga 413 é recomendada somente em peças que apresentem espessuras relativamente constantes, com poucas massas isoladas. 2.5.3 Ligas hipereutéticas Apesar de pouco utilizadas no processo de fundição sob pressão, as ligas hipereutéticas, com teores de silício acima de 13%, tem como principal característica a formação de plaquetas de silício primário durante a solidificação, estas plaquetas aumentam a dureza do material e conseqüentemente dão maior resistência ao desgaste às ligas de alumínio. As plaquetas são formadas devido ao excesso de silício na liga, que ultrapassa o limite de solubilidade do silício no alumínio a partir do ponto eutético. As ligas hipereutéticas são amplamente utilizadas para fabricação de pistões de combustão. 2.6 PRINCIPAIS IMPUREZAS As ligas de alumínio têm sua fundibilidade e propriedades afetadas devido a algumas impurezas que podem estar presentes. Essas impurezas podem ser alguns elementos que tem efeitos deletérios e prejudicam a fluidez da liga. Porém, as principais impurezas são o hidrogênio na presença física em forma de gases, e óxidos de alumínio formados a partir da reação com o óxigênio. Mais detalhes sobre a ação destes elementos está descrito a seguir.

30 2.6.1 Hidrogênio O hidrogênio possui alta solubilidade com o alumínio no estado líquido, e baixa no estado sólido. Durante a solidificação o hidrogênio difunde para os últimos pontos a se solidificar, concentrando mais porosidades nestas regiões. A quantidade de hidrogênio presente em solução nas ligas fundidas está em torno de 0,6 a 1,0 ml por 100g de alumínio, dependendo da composição da liga e temperatura. A adição de elementos de liga, alteram a solubilidade do hidrogênio. Segue abaixo a influência de alguns elementos: a) Silício, cobre, zinco, estanho, manganês reduzem a solubilidade; b) Flúor e Berílio reduzem a absorção ou eliminam o Hidrogênio; c) Ferro e cromo aumentam levemente a solubilidade do Hidrogênio; d) Níquel reduz a difusão do Hidrogênio; e) Cálcio, sódio, magnésio e compostos de enxofre aumentam a absorção; f) Elementos formadores de hidretos tais como: cério, lítio, tório e titânio aumentam fortemente a solubilidade e a difusão do hidrogênio. A presença de hidrogênio nos fundidos causa porosidades primárias e secundárias (bolhas). Estas porosidades prejudicam as propriedades mecânicas devido a vazios na estrutura cristalina. O hidrogênio absorvido pela liga e o ar aprisionado durante o processo de injeção, impossibilitam as peças produzidas pelos processos convencionais de sofrerem tratamento térmico, devido à difusão de hidrogênio para a superfície. O hidrogênio contido nas ligas pode

31 ser removido por diferentes processos de desgaseificação, mas o mais utilizado atualemte é o processo com rotor de grafite, onde bolhas de gases inertes como nitrogênio ou argônio são responsáveis pela remoção deste elemento, além de fazer a desoxidação do banho. 2.6.2 Oxigênio O oxigênio pode ser considerado o elemento de maior contaminação encontrado nas ligas de alumínio para o processo de Fundição Sob Pressão. Este elemento apresenta elevada afinidade com o alumínio, formando, rápida e facilmente, filmes de óxido Al2O3 (alumina). Estas formações tendem a ser maior, quanto maiores forem as turbulências geradas no manuseio do metal líquido. O filme de óxido formado na superfície do banho no estado líquido protege o metal da absorção de hidrogênio, porém, em temperaturas acima de 930 C o filme perde suas características de proteção. O aumento da porcentagem de óxidos no metal diminui sua fluidez e aumenta o desgaste das ferramentas de corte durante a usinagem (pontos duros) [9]. 2.7 EFEITO DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS NAS LIGAS INJETADAS [10] Vários tipos de elementos de liga são adicionados para melhorar a fundibilidade, as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. Entre eles existem elementos eficientes para melhorar certa característica, e elementos impuros para deteriorar características inerentes. A seguir é descrita a eficiência dos elementos típicos encontrados em ligas de alumínio para fundição sob pressão.

32 2.7.1 Silício Em proporção ao aumento da quantidade de silício, a resistência e a dureza tendem aumentar, porém, o alongamento tende a diminuir. A porcentagem de silício vai usualmente de 7% até 13% nas ligas injetadas e é o elemento mais largamente usado na liga de fundição. O silício aumenta a fluidez do alumínio líquido, permitindo que ele flua através de paredes finas na cavidade do molde e reproduza detalhes mais delicados. Não contribui apreciavelmente para a usinabilidade. Em teores altos torna difícil a usinagem devido a formação de fases primárias em composições eutéticas e hipereutéticas. Contribui para a resistência mecânica, principalmente quando combinado com magnésio, por tornar a liga tratável termicamente. O silício, preferivelmente deve estar na liga no estado modificado que diz respeito aos cristais de silício, isto é, em formas arredondadas e bastante dispersas na matriz de alumínio, mas essa característica é praticamente impossível em fundição sob pressão, devido à grande velocidade de resfriamento que produz uma estrutura muito refinada. 2.7.2 Cobre O cobre foi um dos primeiros elementos de liga empregados e ainda tem larga utilização. Este elemento aumenta a dureza das ligas, porém, diminui o alongamento e prejudica a fluidez do material. Aumenta a resistência da liga com ou sem tratamento térmico. É bastante solúvel no alumínio em altas temperaturas (5% a 524 C) e apenas ligeiramente solúvel em temperatura ambiente (0,5%). Essa característica torna essas ligas termicamente tratáveis e permite melhoramento nas propriedades mecânicas.