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Aula 05: Solidificação de ligas de alumínio

- Introdução

- Diagrama Al-Si

- Influências dos elementos de liga

- Modificação das ligas Al-Si

- Microestruturas e propriedades mecânicas

- Mecanismos de endurecimento

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran – Dr. Eng. Metalúrgic a

Classificação Geral das Ligas de Al

Ligas deFundição

Ligas de Conformação ou Trabalháveis

Boas Propriedades de Fundição

Previsão através de: - Diagramas de Equilibro- Composição Química

Alta ductilidadeBaixa resistência mecânica

Solidificação de Ligas de AlDisciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al

Ligas de Fundição

Tratamentos Térmicos

Solubilização

Precipitação (Envelhecimento)

Tratamentos do Banho

Refino de Grão

Modificação do Si

Refino da Matriz (α)

Refinamento e coalescimento das partículas de Si

Coalescimento das partículas de Si e endurecumento por soluto

Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP)


Flow chart to Aluminum alloy selection


Solidificação de Ligas de Al

Elementos de liga primários (major elements): silíc io (Si) – cobre (Cu) e magnésio (Mg)

Elementos de liga secundários (minor elements): níqu el (Ni) e estanho (Sn)

Elementos de modificadores da microestrutura: estrô ncio (Sr) - titânio (Ti) – manganês (Mn) – boro (Bo) – cromo (Cr) – fósforo (P) e berílio (Be)

Elementos considerados impurezas: ferro (Fe) – cromo (Cr) e zinco (Zn)

Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundição : elementos usualmente presentes

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

Diagramas de Equilíbrio Importantes

Al – Si

Al – Cu

Reação eutética ⇒⇒⇒⇒ excelente fluidez e baixa contração na solidificação

Alta solubilidade sólida ⇒⇒⇒⇒ maior resistência através de tratamentos térmicos

Al – Mg


Ligas de fundição mais

utilizadas

Ponto EutéticoSi 12,6 %T = 5770C

Diagrama Al-Si

L

αααα

αααα + L

Al Si

αααα + ββββββββ

L + ββββ660

1430

T (oC)

577

12,6



Diagrama de equilíbrio Al-Si (AFS – Aluminum Casting Technology, 1993)


Ligas de Fundição ⇒⇒⇒⇒ Si - 5 a 24%

T (oC)

Al

ββββ

1430

L

αααα

Si

660

αααα + Si

5770C

Diagrama Al-SiLigas para fundição


Classificação das ligas Al-Si em

função do teor de Si

Ligas Hipereutéticas

LigasHipoeutéticas


Mais utilizadas:

- Boas propriedades de fundição

- Moderadas propriedades mecânicas

- Melhores propriedades mecânicas com adição de outros elementos (Cu, Mg,....)

Ex.: 356 – Al7Si0,3Mg

319 – Al6Si3,5Cu

Ligas Eutéticas

ββββ

Si

L

αααα

Al

T (oC)

- Excelentes propriedades de fundição

-Fragilidade em função da morfologia do Si

- Aplicações especiais (alta resistência ao desgaste)


Influência dos Elementos de Liga

Propriedades de Fundição

Aumenta fluidezSi

Reduz a contração volumétrica externa

Cu Reduz fluidez

Provoca fragilidade a quente

Reduz a contração interna

FUNDIBILIDADE

FUNDIBILIDADE


Propriedades dos Fundidos


Si

Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão

Melhora soldabilidade

Reduz coeficiente de expansão

Melhora estanqueidade


Influência dos Elementos de LigaSi


Si Influência dos Elementos de Liga




Cu

Melhora a usinabilidade

Endurecedor ⇒⇒⇒⇒ aumenta a resistência mecânica nas ligas brutas de fusão e tratadas térmicamente

Reduz a resistência à corrosão


Cu Influência dos Elementos de Liga


L

αααα+L

αααα

Al →→→→%Cu

5,65Cu 33Cu

αααα + CuAl2

T (0C)

5480C

6600C

Diagrama Al-Cu

Maior região de solubilidade sólida

Ligas aceitam tratamento de solubilização e

envelhecimento artificial


Importância dos elementos de liga

Elementos que formam precipitados endurecedores:

Elementos que atuam como refinadores de grãos:

MnTi Bo Cr

Fe Zn Ni


Aumenta tendência a oxidação ⇒⇒⇒⇒ formação de borrasMg

Fe Reduz aderência do metal à coquilha

Zn Elevados teores provocam fragilidadea quente e alta contração

Propriedades de Fundição





Mg

Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a usinabilidade

Permite as melhores combinações de resistência mecânica e à corrosão

Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as ligas Al-Si tratáveis térmicamente


Influência dos Elementos de LigaMg




ZnPequenas adições (em combinação com o Mg) produzem boa resistência ao impacto, alta resistência à tração e excelente ductilidade

NiMelhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas




CrReduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em ligas AlMgZn

Refinador de grão

Mn

Incrementa a resistência à tração em ligas comCu ou Si

Refinador de grão




Ti

Refinador de grão

Incrementa a resistência à tração e a ductilidade

Diminui a condutividade térmica


Bo Refinador de grão Ti - Bo




Sr – Na – Ca - St Modificadores do Si


Influência dos Elementossob 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 ataqu e aos refratários (forma pontos duros)

Fe Forma intermetálicos fragilizantes


Liga Al5Si (443)

Fundida em Areia

Si

Fe3SiAl 2(claro)

Dendritas de Solução Sólida (Al αααα)

Liga Hipoeutética


Microestrutura das Ligas

Hipoeutéticas

MATRIZ

Dendritas Celulares de Al αααα

ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA

• Partículas de Si eutético

• Fe3SiAl 2

• Fe2 Si

Tonalidade de Cinza


Microestrutura típica de uma liga Al7Si


A Liga 356 – Al7Si0,3Mg


Sequência de solidificação de ligas hipoeutética AlSiMg (Cu-Mn-Fe)


Diagrama de fases simplificado para a liga 356.0 (Al-Si-Fe-Mn) com 0,3 Mn mostrando a sequência de solidificação representada na linha tracejada 1, 2ª, 2b e 3 (BACKARD;CHAI;TAMMINEN, 1990.


Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg)Fundida em Coquilha

AB

C

D

A = Dendritas de Solução Sólida αααα

B = Rede Interdendrítica de CuAl2 (cinza claro)

C = Agulhas de Cu2FeAl7 (cinza médio)

D = Partículas de Si(cinza escuro)



Ligas de Fundição


Solubilização

Precipitação (Envelhecimento)


Refino de Grão

Modificação do Si



Coalescimento das partículas de Si e endurecimento por soluto

Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP) endurecimento por precipitação


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 Al αααα• A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 577 0C o Na e os outros agentes modificadores tendem a deslocar composição e a temperatura de equilíbrio eutético de m odo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas mantendo-se as características de fundição inerente s às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeirament e hipoeutéticas

Principal Consequência ⇒⇒⇒⇒ Aumento da Resistência e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.


Eutético Normal 12,6% Si T = 5770C

Eutético Modificado14,2% Si T = 5620C

Si

L

αααα

αααα + L

Al

αααα + Si Si

L + Si660

1430T (oC)

12,6 14,2


Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em Moldes de Areia – HF – 100x

Bruto de FusãoPartículas aciculares de Si

Modificado com 0,025%NaPartículas de Si menores

e arredondadas


Propriedades Mecânicasda Liga A356 Bruta de

Fusão e Modificada com Na em função do

tamanho dos grãos.

Liga Modificada com Na


Liga (SAE)

Composição Nominal

σσσσesc(Mpa)

σσσσmax (Mpa)

Alongamento (%)

413.0 Al12Si 145 300 2,5

Propriedades Mecânicas da Liga de Al SAE413 para Die Casting - Ensaio de Tração

* Valores considerando condições normais de fundição (sem tratamentos de refino)

• Possibilidade de Incremento: Tratamento de Tratamento de ModificaModificaçção do Silão do Silííciocio (Na, Sb, St)


Propriedades Mecânicas de Ligas de Al para Die Casting Ensaio de Tração

A380.0 Al8,5Si3,5Cu

384.0 Al11,2Si3,8Cu

390.0 Al17Si4,5Cu0.6Mg

160 325 4,0

172 325 1,0

240 280 1,0

Liga (SAE)

Composição Nominal σσσσesc(Mpa)

σσσσmax (Mpa)

Alongamento (%)

360.0 Al9,5Si0,5Mg 172 324 3,0


Liga 356 (Al7Si0,3Mg)

F –Bruta de fusão em areia

Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 5mm

Refinadacom adição de 0,05%Ti e 0,005% B

Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 1mm



Ligas de Fundição


Solubilização

Envelhecimento (Precipitação)


Refino de Grão

Modificação do Si



Coalescimento das partículas de Si e endurecimento por soluto

Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP) endurecimento por precipitação


HASKEL , Tatiane ; VERRAN, G. O. . Tratamento de solubilização da liga A356: efeitos do tempo e da temperatura. In: Anais do 65h ABM International Congress. São Paulo: ABM, 2010. v. unico.

Incremento na microdureza com o tempo de solubilização de até 10h.

Solubilização do intermetálico Al 2Mg

Fragmentação e coalescimento das

partículas de Si

(b) Solubilizada 6h, 540 C

(a) Bruta de Fusão

Solubilizada 10h, 540 C

Incremento na ductilidade com o

tempo de solubilização


Maiores incrementos para a liga com maior % de Mg



100 µm 100 µm

(Solubilizada a 510˚C (b) Solubilizada a 540˚C

100 µm

(c) Solubilizada a 570˚C

HASKEL , Tatiane ; VERRAN, G. O. . Tratamento de solubilização da liga A356: efeitos do tempo e da temperatura. In: Anais do 65h ABM International Congress. São Paulo: ABM, 2010. v. unico.

Efeito da temperatura de solubilização na morfologi a do Si

Microestruturas da liga A356 solubilizada por 10 horas a (a) 510˚C, (b) 540˚C e (c) 570˚C.


100

150

200

250

300

350

BF Solubilizado T6 2h T6 5h T6 8h T6 12h

Tratamento

Lim

ite d

e es

coam

ento

100

150

200

250

300

350

Lim

ite d

e R

esis

tênc

ia

LE BX Mg

LE Alto Mg

LR Baixo Mg

LR Alto Mg

Liga 356 - Limites de resistência e de escoamento p ara amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas a 155 0 C usando diferentes tempos.

RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F. . Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química e dos parâmetros de p rocessamento . In: Anais do 12 Seminário de Metais Não Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2011. v. u p. 132-142.


Liga 356 - Valores de microdureza e alongamento para amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas a 155 0 C usando diferentes tempos.


0

20

40

60

80

100

120

140

160

BF solub T6 2h T6 5h T6 8h T6 12h

Tratamento

Mic

rodu

reza

Vic

kers

(H

V)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Alo

ngam

ento

(%

)

HV Bx MgHV alto MgAL% Bx MgAL% Alto Mg


Liga 356 - Limites de resistência e de escoamento par a amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes t emperaturas


100

150

200

250

300

350

BF Solubilizado 5h 155°C 5h 175°C 5h 195°C 5h 215°C

Tratamento

Lim

ite d

e E

scoa

men

to (

MP

a)

100

150

200

250

300

350

Lim

ite d

e R

esis

tênc

ia

(MP

a)

LE BX Mg

LE Alto Mg

LR Baixo Mg

LR Alto Mg


Ocorrência de superenvelhecimento?


Liga 356 - Valores de microdureza e alongamento para amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes temperaturas


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

BF

Solubil

izado

5h 15

5°C

5h 17

5°C

5h 19

5°C

5h 21

5°C

Tratamento

Mic

rodu

reza

Vic

kers

(H

V)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Alo

ngam

ento

(%

)

HV Bx Mg

HV alto MgAL% Bx Mg

AL% Alto Mg


Variações no limite de escoamento nas ligas 356 e A356 para diferentes condições experimentais.


99,05

133

201

142,5 148,5

228,7

152,5

174,8

252,4

0

50

100

150

200

250

300

Bruta de Fusao Solubilizada T6 5h 155°C

Condição de Tratamento

Lim

ite

de

esc

oa

me

nto

(M

Pa

)

A356

356 bx Mg

356 At Mg


Variações da microdureza nas ligas 356 e A356 para diferentes condições experimentais.


62,5

84,588,9

81,3 80,33

108,4

81,8

94,8

114,9

0

20

40

60

80

100

120

140

Bruta de Fusao Solubil izada T6 5h 155°C

Condição de Tratamento

Mic

rod

ure

za

A356

356 bx Mg

356 At Mg


F- Bruta de fusão (Investment Casting)rede interdendrítica de: • Silício Eutético (cinza escuro e sharp)

• Cu2Mg8Si6Al 5 (cinza claro, script)

• Fe2Si2Al 9 (cinza médio, blades)

• Mg2 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)

Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg)


Bruta de fusão (investment casting)

Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu2Mg8Si6Al 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.

Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg)


Bruta de Fusão em Areia -Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico

Solubilizada a 5400C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si

Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares


Modificada pela adição de Na (0,025%) e Solubilizada Partículas de Si arredondadas e aglomeradas


Bruta de Fusão (Premium Quality Casting)Rede interdendrítica de Si eutético (cinza);

partículas de Mg2Si (preto)

T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente partículas de eutético e coalescidas aglomeradas

pela solubilização

Sob maior aumento, observa-se pequenas partículas de Mg2Si não solubilizadas (prêto)



Defeitos em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356)

Porosidades

Microrechupes ou gases aprisionados ?

HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009.




Observações usando MEV permitiram identificar a origem das porosidades






Identificação de defeito usando aumentos progressivos - MEV

Detalhes da dendritas da solução sólida rica em Al (Alα) - MEV





Utilização de observações via MEV para análise da modo de fratura e na identificação de defeitos de fundição.



Heterogeneidades Microestruturais em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356)

(d) (a)(b)(c) (e)Borda da amostra

Estrutura mais refinada

Centro da amostra

Estrutura mais grosseira

φ = 12,6mm

Superfície de fratura (MEV) baixo aumento



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