DESENVOLVIMENTO DE UMA MATRIZ PARA ESTUDOS DE SOLIDIFICAÇÃO DE LIGAS DE ALUMÍNIO SOB CONDIÇÕES CONTROLADAS

F. F. dos Santos , A. V. Souza , E. A. Vieira Av. Vitória, 1729, Jucutuquara, Vitória, ES – Brasil, 29040-780,

fabriciofsantos@gmail.com Instituto Federal do Espírito Santo (IFES)

RESUMO

Nos processos de solidificação de metais e ligas, as características e

propriedades mecânicas finais das peças são dependentes da microestrutura

resultante, que por sua vez são influenciadas pelas condições que ocorreu o

processo. O controle dos parâmetros de solidificação é de extrema importância para

que se atinjam as propriedades mecânicas visando uma determinada aplicação de

engenharia. A velocidade de solidificação, gradientes térmicos e taxas de

resfriamento são exemplos de variáveis de processo que influenciam diretamente na

microestrutura final. Neste trabalho, o objetivo é desenvolver um molde de aço inox

AISI316 que permita a realização da solidificação controlada de ligas de alumínio.

Inicialmente, foi estudada a liga Al-Si comercial A356. Amostras foram fundidas e

submetidas a condições de resfriamento variadas e as temperaturas foram

registradas em função do tempo utilizando-se um sistema de aquisição de dados de

alta velocidade. Os parâmetros microestruturais tais como: espaçamento

interdendritico, tamanho e morfologia do Si, foram analisados de acordo com as

condições de resfriamento.

Palavras-chave: Solidificação, alumínio-silício, taxa de resfriamento, parâmetros

microestruturais.

INTRODUÇÃO

A liga de alumínio-silício A356 é uma liga comercial muito utilizada nas

indústrias automotiva e aeroespacial devido às suas características como boa fluidez

no estado líquido, soldabilidade, resistência à corrosão, boa relação resistência/peso

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e baixo custo. A Tabela 01 apresenta a composição química típica de uma liga

A356.

Tabela 01 – Composição química da liga A356

Composição

(%) Si Cu Mg Fe Mn Zn Pb Sn Ti Al

A356 7 0,10 0,30 0,50 0,30 0,10 0,10 0,05 0,20 Bal

Sabe-se que o controle das condições de solidificação é muito importante para

que se atinjam as propriedades mecânicas visando uma determinada aplicação de

engenharia. No caso das ligas Al-Si, o espaçamento interdendrítico da fase Al- e a

morfologia do Si eutético são exemplos de parâmetros a serem controlados na

microestrutura final de uma peça. Para controlar estes parâmetros, é importante a

utilização de coquilhas que possibilitem a realização da solidificação sob condições

conhecidas.

Atualmente já existem alguns trabalhos onde se busca correlacionar as

condições de solidificação com os parâmetros microestruturais e as propriedades

mecânicas finais para a liga A356(1), (2), (8). Existem também vários outros trabalhos

que avaliam a influência das variáveis térmicas de processo sobre as

microestruturas e propriedades mecânicas de diversas outras ligas solidificadas sob

condições controladas (3), (4), (5), (6), (7).

O objetivo deste trabalho é desenvolver um molde de aço inox AISI316 que

permita a realização da solidificação controlada da liga de alumínio-silício A356.

MATERIAIS E MÉTODOS

O molde foi projetado em aço inox AISI 316 para maior durabilidade em altas

temperaturas sendo composto por três peças para ser montado posteriormente. A

Figura 01 mostra o desenho do tubo bipartido onde será vazado o alumínio líquido

para o estudo da solidificação. O tubo possui 60mm de diâmetro interno, 70mm de

diâmetro externo e 150mm de altura.

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Figura 01 – Tubo bipartido em aço inox AISI 316

A segunda peça projetada foi uma base para o encaixe do tubo bipartido

(Figura 02a). Nesta base foi encaixada uma chapa de 5mm de espessura feita de

cobre (Figura 02b) para melhorar a transferência de calor com o alumínio fundido.

Figura 02 – (a) Base em aço inox AISI 316; (b) Chapa em cobre

A Figura 03 mostra a base montada com a chapa de cobre e a Figura 04

mostra o desenho do molde completo.

Figura 03 – Base e chapa montados

Figura 04 – Molde completo

Durante o processo de solidificação da liga de alumínio, a água é injetada pela

base do molde atingindo a chapa de cobre. É desejado que a troca de calor ocorra

preferencialmente no sentido vertical, ou seja, entre a chapa de cobre e o alumínio

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fundido. Para isto todo o molde foi envolvido por uma manta térmica com o objetivo

de minimizar a transferência de calor pelas laterais do molde.

Termopares foram posicionados no interior do molde em quatro diferentes

posições a partir da base (0cm, 2cm, 6cm e 11cm) para o monitoramento das curvas

de resfriamento nestes pontos. A Figura 05 apresenta um esquema de como deverá

ser o aparato experimental completo.

Figura 05 – Esquema do aparato experimental completo

Após concluída a etapa de desenvolvimento do aparato experimental, os

experimentos foram conduzidos na seguinte ordem:

i) Fusão da liga de alumínio em um cadinho de grafite em um forno elétrico tipo

mufla à uma temperatura de aproximadamente 750°C;

ii) Aquecimento do molde de aço até aproximadamente 750ºC;

iii) Remoção do molde do forno, posicionamento do molde na base para

resfriamento a água e posicionamento dos termopares no interior do molde. Quatro

termopares foram inseridos nas posições de 0cm, 2cm, 6cm e 11cm a partir da base

do tubo.

iv) Remoção do cadinho de grafite do forno para verter o alumínio líquido no molde

metálico.

v) Ativamento do software TracerDaq para medição das temperaturas pelos

termopares ligados a um datalogger.

vi) Início do resfriamento à água da base do molde até completa solidificação do

alumínio.

vii) Remoção do lingote solidificado do molde.

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viii) Realização de cortes transversais nos diferentes pontos do lingote para a

análise microestrutural.

O lingote de alumínio de aproximadamente 150mm de altura obtido neste

molde foi seccionado em diferentes pontos a partir da base com um equipamento de

corte por disco abrasivo com sistema de refrigeração a água. Em seguida foi

realizado o lixamento e o polimento das amostras para a análise microestrutural.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Figura 06 apresenta a foto do molde e do aparato experimental montado.

Figura 06 – Molde e aparato experimental montado.

A Figura 07 apresenta as curvas de resfriamento durante a solidificação nas

posições de 0cm, 2cm, 6cm e 11cm respectivamente.

Figura 07 – Curvas de resfriamento em diferentes posições

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As Figuras 08, 09, 10 e 11 apresentam as micrografias mostrando as fases de

Al-α e do Si eutético.

Figura 08 – Micrografias mostrando (a) as dendritas de Al e (b) O Si eutético em 0cm

Figura 09 – Micrografias mostrando (a) as dendritas de Al e (b) O Si eutético em 2cm

Figura 10 – Micrografias mostrando (a) as dendritas de Al e (b) O Si eutético em 6cm

b

b

b

10µm

10µm

10µm

Al-α

Si eut.

100µm

0cm

100µm

2cm

100µm

6cm

a

a

a

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Figura 11 – Micrografias mostrando (a) as dendritas de Al e (b) O Si eutético em 11cm

É possível observar que as dendritas de Al-α Se formaram mais refinadas na

base do molde onde a taxa de resfriamento é mais elevada. Isto fica ainda mais

evidente comparando as Figuras 08a e 11a.

Comparando as Figuras 08b e 11b percebe-se que a morfologia do silício

eutético se encontra em forma de agulhas mais grosseiras quando a solidificação

ocorre sob taxas de resfriamento mais baixas.

CONCLUSÕES

O molde apresentou boa transferência de calor através da base de cobre do

molde, o que possibilitou uma grande diferença entre a microestrutura da base e do

topo do lingote de alumínio fundido.

As estruturas mais refinadas tanto da fase α-Al quanto do Si eutético ocorrem

em taxas de resfriamento mais elevadas durante o processo de solidificação.

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2. MALLAPUR, D.G.; KORI, S.A.; UDUPA, K.R.: Influence of Ti, B and Sr on the

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Science, V. 46, p.1622-1627, 2011.

3. PERES, M.D.; SIQUEIRA, C.A.; GARCIA, A.: Macrostructural and microstructural

development in Al–Si alloys directionally solidified under unsteady-state conditions,

Journal of Alloys and Compounds, V. 381, p.168-181, 2004.

11cm

a b

10µm

100µm

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4. GOULART, P.R.; SPINELLI, J.E.; OSORIO, W.R; GARCIA, A.: Mechanical

properties as a function of microstructure and solidification thermal variables of Al–Si

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5. SPINELLI, J. E.; CHEUNG, N.; GOULAR, P.R.; QUARESMA, M.V; GARCIA, A.:

Design of mechanical properties of Al-alloys chill castings based on the metal/mold

interfacial heat transfer coefficient, International Journal of Thermal Sciences, V.

51, p.145-154, 2012.

6. ZHANG, L.Y.; JIANG, Y.H.; MA, Z.; SHAN, S.F.; JIA, Y.Z.; FAN, C.Z.; WANG,

W.K.: Effect of cooling rate on solidified microstructure and mechanical properties of

aluminium-A356 alloy, Journal of Materials Processing Technology, V. 207,

p.107-111, 2008.

7. PALIWAL, M.; JUNG, I.H.: The evolution of the growth morphology in Mg–Al alloys

depending on the cooling rate during solidification, Acta Materialia, V. 61, p.4848-

4860, 2013.

8. SUN, S.; YUAN, B.; LIU, M. Effects of moulding sands and wall thickness on

microstructure and mechanical properties of Sr-modified A356 aluminum casting

alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, V. 22 p.1884-1890,

2012.

DEVELOPMENT OF A MOLD FOR SOLIDIFICATION UNDER CONTROLLED CONDITIONS STUDIES OF ALUMINUM ALLOYS

ABSTRACT

In the processes of solidification of metals and alloys, characteristics and final

mechanical properties of the parts are dependent on the resulting microstructure,

which in turn are influenced by the process conditions. The control of solidification

parameters is of utmost importance to achieve the mechanical properties targeting a

particular engineering application. The solidification rate, thermal gradients and

cooling rates are examples of process variables that directly influence the final

microstructure. In this work, the goal is to develop a mold of stainless steel AISI316

enabling the realization of controlled solidification of aluminum alloys. Initially, it was

studied the commercial Al-Si alloy A356. Samples were cast and subjected to various

cooling conditions and the temperature was recorded against time using a high

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speed data acquisition system. The microstructural parameters such as:

interdendritic arm spaces and morphology of Si, were analyzed according to cooling

conditions.

Keywords: Solidification, aluminum-silicon, cooling rate, microestructural parameter

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