Introdução

Símbolo químico: Al

Ponto de fusão: 650ºC

O Al não seria descoberto senão em 1827, pelo alemão Woehler, que

conseguiu isolá-lo sob uma forma de pó bastante impura, ao tratar o cloreto de

alumínio pelo potássio.

Em 1821 havia sido descoberto um jazigo de hidrato de alumínio impuro,

perto da aldeia de Baux, em França. Considerado como um mineral pobre, o

alumínio só seria explorado industrialmente a partir de 1859.

O procedimento que permitiu a elaboração industrial deste metal foi

descoberto em 1854.

Hoje em dia o mineral que serve como base às ligas para fundição tem o

nome de bauxite, por advir da aldeia de Baux.

Propriedades do alumínio

O alumínio possui uma combinação de propriedades que o torna um material

muito útil em engenharia. O alumínio tem densidade baixa (2.70 g/cm3), sendo, por

isso, muito utilizado em produtos manufacturados de transporte. O alumínio tem,

também, boa resistência à corrosão na maioria dos meios naturais, devido à

estabilidade do filme de óxido que se forma na sua superfície. Muito embora o

alumínio puro apresente baixa resistência mecânica, as ligas de alumínio podem

apresentar resistências até cerca de 690 Mpa. O alumínio não é tóxico, sendo

extensivamente usado em recipientes e embalagens para alimentos. O alumínio é

muito usado na indústria eléctrica devido às suas boas propriedades eléctricas. O

preço relativamente baixo do alumínio, aliado às muitas propriedades úteis, fazem

com que este metal tenha grande importância industrial.

Produção do alumínio

O alumínio é o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre

aparecendo sempre combinado com outros elementos, como o ferro, o oxigénio e o

silício. A bauxite, que consiste essencialmente em óxidos de alumínio hidratados, é

o minério comercialmente mais importante na produção de alumínio. No processo

Bayer (figura 1), a bauxite reage com hidróxido de sódio a temperatura elevada e o

alumínio de minério é convertido em aluminato de sódio. Depois da separação dos

elementos insolúveis, o hidróxido de alumínio é precipitado a partir da solução de

aluminato. O hidróxido de alumínio é parcialmente seco e depois calcinado, dando

origem à formação de óxido de alumínio (Al2O3).

O óxido de alumínio é dissolvido num banho de criolite (Na3AlF6 ) fundida e

electrolisado numa célula electrolítica, usando ânodos e cátodos de carbono (figura

2). No processo de electrólise, forma-se alumínio metálico no estado líquido que se

deposita no fundo da célula e que é periodicamente retirado. O alumínio retirado da

célula tem normalmente 99.5 a 99.9% de alumínio, sendo o ferro e o silício as

principais impurezas.

O alumínio que sai das células electrolíticas é colocado em grandes fornos

revestidos por refractários, onde é refinado antes do vazamento. Elementos de liga

e lingotes de alumínio enriquecidos com elementos de liga podem também ser

fundidos e misturados na carga do forno. Na operação de refinamento, o metal

líquido é purificado com cloro gasoso, de modo a remover o hidrogénio gasoso

dissolvido, seguindo-se a remoção da camada superficial de metal líquido para

retirar o metal oxidado. Depois de o material ter sido desgaseificado e removida a

camada líquida à superfície, é separado e vazado em lingotes para refusão ou em

lingotes nas formas primárias, por exemplo, lingotes para chapa ou extrusão

destinados a fabrico posterior.

Figura 1- Esquemas representativo da produção de alumínio

Figura 2 - Esquemas representativo da produção de alumínio

Ligas de alumínio para fundição

Composição das ligas

As ligas de alumínio para fundição têm vindo a ser desenvolvidas no sentido de

melhorar quer as propriedades relacionadas com o vazamento, como a fluidez e a

capacidade de alimentação do molde, quer propriedades como a resistência

mecânica, a ductilidade e a resistência à corrosão. Por isso, as composições destas

ligas são muito diferentes das composições das ligas de alumínio para trabalho

mecânico. As ligas de alumínio para fundição são classificadas nos Estados Unidos

da América de acordo com a nomenclatura da Aluminum Assocation. Nesta

classificação, as ligas de alumínio para fundição estão agrupadas segundo os

principais elementos de liga que contêm, usando-se um número de quatro dígitos

com um ponto entre os últimos dois, tal como se indica na tabela 1:

ELEMENTOS DE LIGA FUNDAMENTAIS SÉRIE

Alumínio, 99.00% mínimo 1xx.x

Cobre 2xx.x

Silício, com adições de cobre e/ou magnésio 3xx.x

Silício 4xx.x

Magnésio 5xx.x

Zinco 7xx.x

Estanho 8xx.x

Outros elementos 9xx.x

Série livre 6xx.x

Tabela 1 – Tipos de ligas de alumínio para fundição

Processos de fundição

Os três principais processos de fundição das ligas de alumínio são: Fundição

em molde de areia, fundição em molde permanente e fundição injectada.

A fundição em molde de areia é o processo de vazamento mais simples e mais

versátil das ligas de alumínio. O processo de fundição em molde de areia é

geralmente usado na produção de: 1) pequenas quantidades de peças fundidas

idênticas; 2) peças vazadas complexas, com interiores complicados; 3) peças

grandes vazadas; 4) estruturas vazadas.

No processo de fundição em molde permanente, o metal líquido é

introduzido no molde permanente por gravidade, baixa pressão ou simplesmente

por pressão centrifuga. Peças fundidas de uma mesma liga e com a mesma forma,

obtidas em molde permanente, possuem uma estrutura de grão mais fina e maior

resistência mecânica do que as peças fundidas em molde de areia. A velocidade de

arrefecimento elevada que se atinge no vazamento em molde permanente conduz

a uma estrutura de grão fino. Alem disso, o vazamento em molde permanente dá

origem a menores contracções e menor porosidade gasosa do que o vazamento em

molde de areia. No entanto, os moldes permanentes têm limitações de tamanho, e

para peças complexas este tipo de vazamento é difícil ou mesmo impossível.

Na fundição injectada atingem-se taxas de produção máximas no vazamento

de peças idênticas, sendo o metal líquido forçado a entrar no molde por acção de

uma pressão elevada. As duas metades do molde metálico estão convenientemente

fechadas para permitirem uma pressão elevada. O alumínio líquido é forçado a

preencher as cavidades do molde. Após a solidificação do metal, o molde é aberto

de modo a retirar-se a peça vazada, ainda quente. As duas metades do molde são

novamente fechadas e repete-se novamente o ciclo de vazamento. Algumas das

vantagens da fundição injectada são: 1) As peças vazadas por injecção estão

praticamente acabadas e podem ser produzidas a velocidades elevadas; 2) Permite

obter peças com tolerâncias dimensionais mais apertadas do que nos outros

processos de fundição; 3) Obtêm-se superfícies de vazamento lisas; 4) O

arrefecimento rápido inerente a este processo permite obter uma estrutura de grão

fino; 5) O processo pode ser facilmente automatizado.

Na próxima tabela apresentam-se um agrupamento das ligas com maior relevância,

que para a fundição em areia é a liga 319, uma liga Al-Si6%-Cu3,5%. Para a

fundição injectada as ligas mais usadas repartem-se pela 380 Al-Si8,5%-Cu3,5% e a

413 que é a liga eutéctica do sistema Al-Si com 12% de silício.

As aptidões à fundição são apresentadas na próxima tabela.

Nesta tabela “resistance to tearing” significa resistência à fissuração, “pressure

tightness” resistência à pressão, sendo as restantes denominações já conhecidas.

Efeito dos Elementos de Liga

O Cálcio é um fraco modificador eutéctico de ligas alumínio-silício. Ele aumenta

a solubilidade do hidrogénio e é muitas vezes responsável pela porosidade dos

fundidos. Para concentrações de cálcio superiores a aproximadamente 0,005 %,

a ductilidade das ligas alumínio-magnésio é bastante alterada.

O Cobre, em teores entre 1 e 4%, é também adicionado às ligas de alumínio

para fundição, para promover o aumento da resistência mecânica,

particularmente a temperaturas elevadas. A primeira e mais usada liga de

alumínio é a que contém 4 a 10% cobre. O cobre melhora substancialmente a

dureza nos fundidos de liga de alumínio com e sem tratamento térmico. Ligas

com 4 a 6% Cu são facilmente tratáveis termicamente. Em geral, o cobre

melhora a resistência à corrosão, mas também diminui a fluidez.

O Chumbo é usado nas ligas de alumínio para melhorar a maquinabilidade.

O Estanho melhora as características anti-fricção, requisito extremamente

necessário para o fabrico de chumaceiras. As ligas de alumínio podem conter

até 25% Sn. Este elemento pode ainda melhorar a maquinabilidade dos

fundidos.

O Ferro diminui a tendência para a liga se agarrar em moldes permanentes.

Contudo o aumento do teor de ferro diminui substancialmente a ductilidade. O

ferro reage, e forma várias fases insolúveis nas ligas de alumínio, estas fases

são as responsáveis pelo endurecimento das ligas.

O Magnésio em quantidades de 0.3 a 1 %, é adicionado para aumentar a

resistencia mecânica, principalmente através do tratamento térmico de

endurecimento por precipitação. É o elemento chave para o aumento da dureza

e da resistência mecânica nas ligas tratáveis termicamente de Al-Si. A fase de

endurecimento Mg2Si apresenta uma solubilidade limite correspondente a

aproximadamente 0,7% Mg, para além da qual não ocorre nem endurecimento

nem amaciamento da matriz. Normalmente são empregues quantidades de Mg

entre 0,07 a 0,4% nas ligas de Al-Si.

As ligas binárias de Al-Mg são largamente usadas em aplicações que requerem

uma aspecto superficial brilhante e resistência à corrosão, assim como uma boa

relação entre resistência mecânica e ductilidade. As composições destas ligas

varia entre 4 a 10%, acima de 7% a liga é tratável termicamente.

O Manganês é considerado normalmente uma impureza nas composições do

fundido. O manganês é um elemento de extrema importância em ligas brutas.

Na ausência de endurecimento por deformação plástica, o manganês não

oferece nenhum efeito benéfico nas ligas de alumínio. Contudo, existem

evidencias que, uma grande fracção volúmica de MnAl6 em ligas que contem

mais de 0,5 % de Mn pode beneficiar a influência da sanidade interna do

fundido. O manganês pode também ser empregue de modo a alterar a resposta

ao acabamento químico e anôdização.

O Níquel é usado com o cobre de modo a melhorar as propriedades a altas

temperaturas. O níquel também reduz o coeficiente de expansão térmica.

O Silício em quantidades entre 5 e 12%, é o elemento de liga mais importante

das ligas de alumínio para fundição, porque aumenta a fluidez do metal líquido e

a sua capacidade de alimentação do molde, ao mesmo tempo que aumenta a

resistencia mecanica das ligas. Para processos de fundição de arrefecimento

lento (ex.: gesso, cera perdida e areia), o teor em Si é de 5 a 7%, para moldes

permanentes 7 a 9%, e para fundição injectada 8 a 12%.

O Sódio modifica o eutectico das ligas alumínio-silício. A sua presença fragiliza

as ligas alumínio-silício.

O Titânio é extensamente usado para refinamento de grão das ligas de

alumínio, por vezes em combinação com pequenas quantidades de boro. O

titânio é muitas vezes empregue em concentrações superiores ao necessário

para o refinamento de grão de modo a reduzir a tendência para a fissuração.

O Zinco, por si só, em adição às ligas de alumínio não traz grandes benefícios,

no entanto quando acompanhado por adições de cobre e ou magnésio. As ligas

podem ser tratadas termicamente ou envelhecidas naturalmente.

Elaboração das ligas de alumínio

Constituição das Cargas

A carga deve consistir de lingote da liga e sucata limpa da mesma liga. Os

lingotes podem ser preparados em fornos de revérbero ou então comprados a

produtores de alumínio, os quais produzem lingotes para fundição de ligas

padrão.

Algumas fundições preferem fundir a sucata separadamente. Em operações

de grande volume esta sucata é fundida em fornos de revérbero. O banho é

analisado e é corrigido à composição correcta, se necessário, e depois vazados

em lingotes ou transferido líquido para consequente uso na fundição. Uma

análise rápida da composição pode ser efectuada com um espectrometro, o qual

pode completar uma análise electrónica de amostras do banho de alumínio em

apenas três minutos.

Em geral, não é desejável preparar banhos de misturas de cargas que

incluam alumínio puro, a menos que seja extremamente necessário obter o peso

e a composição correcta de todos os materiais existentes na carga.

Quando se adiciona elementos de liga ao banho de alumínio, elementos de

baixo ponto de fusão, tais como zinco e magnésio, podem ser adicionados na

suas formas puras. Contudo, elementos que contêm alto ponto de fusão (tais

como manganês, níquel, silício, titânio, crómio e cobre) são adicionados sob a

forma de ligas alumínio com alto teor do elemento necessário. O silício e o cobre

podem ser adicionados na sua forma pura, contudo a sua solubilidade no banho

é relativamente baixa. O silício tende a flutuar na superfície do banho e, como

tal, oxida-se. O magnésio também flutua e tem de ser submerso no banho

imediatamente prevenido a sua combustão e formação de escória.

Os principais aspectos a considerar quando se elaboram ligas de alumínio são:

1) Absorção de gases, especialmente hidrogénio durante a fusão e

sobreaquecimento;

2) Remoção dos gases dissolvidos;

3) Modificação química da estrutura de solidificação do silício, pela adição

de Na, ou Sr;

4) Afinação do grão das ligas com baixa fracção de eutético em que não

haja precipitação de silício;

5) Distância entre os braços secundários das dendrites, por acção da

velocidade de arrefecimento.

A fusão é normalmente conduzida em “ambiente” controlado, providenciado

pela atmosfera de um forno fechado, ou pelo emprego de fluxos de cobertura,

normalmente à base de misturas de cloreto de sódio e cloreto de potássio (50/50),

para os quais a temperatura de fusão é mais baixa que a de fusão das ligas.

A modificação química da estrutura é conseguida pela adição de sais

contendo sódio, ou cápsulas com Na metálico, ou ligas com estrôncio. Estas ultimas

são mais eficazes, com maior recuperação e com efeito mais prolongado, apesar de

necessitarem de mais tempo para se dissolverem.

Fluxagem nas Ligas de Alumínio

Na fusão do alumínio, e especialmente na refusão de retornos de fundição

ou outra sucata, a formação de óxidos e outras impurezas não-metálicas são

comuns. As impurezas ocorrem sob a forma de inclusões líquidas ou sólidas que

persistem, durante a solidificação do banho, no fundido. As inclusões podem ser

originárias de ferramentas sujas, areia e outros destroços de moldação, escória

espessa (compostos intermetálicos de Fe-Cr-Ni, normalmente encontrados em

ligas de vazamento em molde permanente), resíduos de lubrificantes de

maquinaria, e a oxidação dos elementos da liga e/ou do metal base.

O termo fluxagem, em sentido alargado, aplica-se a uma técnica de

tratamento ao fundido que contenha impurezas e inclusões como as acima

mencionadas. Fluxagem do fundido facilita a aglomeração e a separação de tais

constituintes, indesejáveis do banho.

A fluxagem é dependente da temperatura. A temperatura deve ser

suficiente alta de modo a se alcançar boa separação física ou a reacção química

desejada. A temperaturas suficientemente elevadas, a fluidez tanto do metal

como do agente de fluxagem pode ser muito elevada, o que permite um bom

contacto entre os dois e uma melhor reactividade.

Tipos de Fluxo

Para as ligas de alumínio são usados quatro tipos principais de fluxos. São os

fluxos de cobertura, fluxos de limpeza, fluxos escorificante, e fluxos refinantes.

Também se usam fluxos de limpeza de paredes, mas estes são geralmente

aplicados nas paredes dos fornos não sendo por isso adicionados ao banho.

Os fluxo de cobertura são desenhados de modo a serem usados em

pequenos fornos de modo a providenciar uma barreira física à oxidação do

banho ou de modo a servir como um agente de limpeza para a liga, retornos ou

lingotes novos a serem carregados.

Os fluxos de limpeza têm geralmente um teor mais elevado em sais de

cloreto e contem geralmente fluoretos de modo a facilitar a molhabilidade das

inclusões de oxido para melhor separação do banho.

Os fluxos de escorificação são desenhados de modo a promover a separação

da camada de oxido de alumínio que se forma à superfície do banho, sendo a

reacção exotermica provocando assim um aumento de temperatura seguido de

um aumento da fluidez local. De notar que os fluoretos molham e dissolvem os

filmes de oxido. Com agitação mecânica, este filmes rompem libertando assim

metal que se encontrava aprisionado na escória.

Os fluxos de refinamento contêm compostos que se decompõem à

temperatura de uso e são termodinamicamente favoráveis para reacção com

certos elementos metálicos existentes no banho. Por exemplo, certos compostos

que contem cloretos vão reagir em banhos de alumínio que contem magnésio,

cálcio, lítio, sódio e potássio de modo a formar cloretos insolúveis destes metais,

sendo depois removidos pela limpeza da escória superficial.

Os fluxos de limpeza de paredes contêm compostos que ajudam a minimizar

a formação de óxidos que ocorre nas paredes do forno.

Determinação do Tipo de Fluxos a Usar

As propriedades químicas das ligas determinam, em grande número, o

tratamento de fluxagem que deve ser usado. Muitas das ligas mais comuns de

alumínio – 319.0, 355.0 e 356.0, por exemplo – são basicamente similares no

aspecto em que oxidam moderadamente. Todas elas devem ser tratadas com os

mesmos fluxos de cobertura e/ou escorificantes e, finalmente, com um fluxo

desgasificante e/ou de refinamento de grão.

Contudo, algumas ligas que contêm elevadas percentagens de magnésio ou

silício podem requerer tratamentos especiais. Tais ligas de alumínio/magnésio

como por exemplo, 535.0, 518.0 e 520.0 são tratadas de modo idêntico às ligas

de magnésio. Neste caso. O fluído de limpeza do fluxo leva as peles não

metálicas e as inclusões para a superfície onde estas devem ser prontamente

escorificadas e removidas. Fluxos que contenham sódio não devem ser usados.

Nas ligas hipoeutécticas de alumínio-silício (estas contendo menos de 11,7%

de silicío), a modificação do silício com estrutura grosseira no eutéctico deve ser

acompanhada da adição de pequenas quantidades de liga principal rica em

estrôncio ou por meio de sódio metálico ou fluxos de sódio.

Contudo, no caso das ligas hipereutécticas de alumínio-silício (estas

contendo mais de 13% de silício), o refinamento primário do silício é realizado

pela adição de uma pequena quantidade de fósforo. Existem diversos agentes

de refinação que devem ser usados, mas se estes forem sais, devem estar livres

de sódio e cálcio. Pois ambos têm detrimento em relação à acção de

refinamento do fósforo.

Desgaseificação das ligas de alumínio

O alumínio e suas ligas são muito susceptíveis à absorção de hidrogénio

quando se encontram no estado fundido, sendo a solubilidade muito mais lenta

no estado solido (ver fig. 12). O hidrogénio é o único gás que é apreciavelmente

solúvel no alumínio fundido.

Figura 12 – Solubilidade do hidrogénio no alumínio.

Devido à afinidade do metal para o oxigénio, a principal fonte de absorção

de hidrogénio vai ser a redução do vapor de agua da atmosfera em contacto

com o banho.

A solubilidade do gás hidrogénio aumenta exponencialmente à medida que a

temperatura é aumentada, por isso é imperativo que se evite temperaturas

excessivas durante a fusão de modo a minimizar a absorção de gás,

especialmente se se usa um tratamento de desgasificação standard baseado

num cálculo teórico de teor de gás esperado.

Fontes de hidrogénio no alumínio

Existem muitas fontes potenciais de hidrogénio no alumínio, incluindo a

atmosfera do forno, os materiais de carga, os fluxos, componentes externos e as

reacções entre o metal fundido e o molde.

Atmosfera do forno – Os fornos aquecidos a fuel usados para fundir

podem gerar hidrogénio livre devido à combustão incompleta do fuel-oil

ou do gás natural.

Materiais de carga – Os lingotes, sucata e retornos de fundição podem

conter óxidos, produtos de corrosão, areias e outros desperdícios

provenientes de moldes, e lubrificantes usados na metalomecânica.

Todos estes contaminantes são fontes potenciais de hidrogénio através

da redução de compostos orgânicos ou decomposição do vapor de agua

da humidade contida.

Fluxos – A maioria dos fluxos salinos usados no tratamento do banho

de alumínio são higroscópios. Fluxos humidificados podem causar

absorção de hidrogénio pelo banho através da decomposição da agua.

Componentes externos - Ferramentas dos fornos tais como “rakes”,

“puddlers”, escumadeiras e pás podem induzir hidrogénio no banho se

não se encontrarem devidamente limpas. Os óxidos e resíduos de fluxos

contidos nessas ferramentas são fontes de contaminação bastante

graves devido a que vão absorver humidade directamente da

atmosfera.

Os refractários dos fornos, “troughs” e “launders”, “mortars” e

“cements”, colheres de amostragem e de vazamento são também

potenciais fontes de hidrogénio, especialmente se os refractários não se

encontram devidamente curados.

Reacções metal/molde – Se o fluxo de metal é excessivamente

turbulento durante o processo de vazamento, pode ser aspirado ar para

dentro do molde. Se o ar não poder ser expelido antes do inicio da

solidificação, ocorre provavelmente absorção de hidrogénio. A gitagem

imprópria pode também causar turbulência e sucção.

Também a excessiva humidade nos moldes de areia verde pode

providenciar uma fonte para hidrogénio à medida que a água se torna

em vapor.

Afinação do banho das ligas de alumínio

As principais impurezas nos banhos de alumínio são os metais alcalinos (lítio,

sódio, cálcio) em concentrações muito baixas (< 20 ppm) e magnésio em

elevadas concentrações (0.20 a 1.5 %). O fósforo encontra-se algumas vezes

presente como impureza quando se refunde ligas de alumínio-silício com

tratamento fosforoso hipereutectico, mas é geralmente removido por processos

de fluxagem convencionais. No caso do magnésio, ele é usualmente removido

por operações de remoção de magnésio (demagging).

Os metais alcalinos como o lítio, sódio e cálcio, são verdadeiras impurezas

que aparecem da produção primária de alumínio e podem ter efeitos

prejudiciais durante a solidificação e na integridade do fundido se não forem

removidos.

A remoção destas impurezas é termodinamicamente favorável quando são

introduzidos no banho halogenatos de cloro e flúor. A fig. 14 mostra a energia

livre de formação de vários compostos de cloro. Nesta figura pode ser verificado

que a remoção por meio de cloro no alumínio vai resultar numa formação

preferencial de cloretos de lítio, sódio, potássio e cálcio.

Figura 14 – Termodinâmica da formação de cloretos em ligas de alumínio

Existem vários métodos para a remoção destas impurezas. Pode ser usado

um simples fluxo de gás ou então injecção de fluxos sólidos ou gasosos

acoplados com um dispersor mecânico. A maioria destes processos mecânicos

são aplicados às industrias primárias, secundárias ou a industrias de produtos

de vazamento contínuo, apesar da injecção de fluxos ser também aplicável a

operações de fundição.

Controlo da Estrutura

A estrutura metalúrgica dos fundidos de alumínio é determinada por um

grande número de factores. De importância crucial, é o tamanho da célula

dendrítica ou o tamanho dos braços dendríticos, a forma e a distribuição das

fases microestruturais, e o tamanho de grão. O fundidor pode controlar a finesa

da estrutura dendrítica controlando a velocidade de solidificação.

As características microestruturais tais como o tamanho e distribuição de

fases primárias e intermetálicas é mais complexo. Contudo, o controlo químico,

o controlo da quantidade de elementos baseado na estequiometria das fases

intermetálicas e o controlo das condições de solidificação de modo a garantir

um tamanho uniforme e boa distribuição dos intermetálicos são todos meios

para este fim. O uso de modificadores e refinadores de modo a influenciar as

estruturas euteticas e hipereuteticas das ligas de aluminio-silicio é um exemplo

do método no qual as micro e macroestruturas podem ser optimizadas durante

o processo de fundição.

Estrutura de Grão

Geralmente, nos fundidos de alumínio, deseja-se obter uma estrutura de

grão equiaxial e fina. O tipo e o tamanho dos grão formados são determinados

pela composição da liga, taxa de solidificação e a adição de refinadores de grão

contendo fases intermetálicas que providenciam locais de nucleação

heterogénea.

Efeitos de refinamento de grão

Um tamanho de grão mais fino promove uma sanidade melhorada do

fundido pois minimiza o encolhimento, a fractura a quente e a porosidade

causada pelo hidrogénio.

As vantagens de um refinamento de grão são:

As propriedades mecânicas e desempenhos a altas temperaturas são

normalmente melhorados com estruturas de grão mais fino; propriedades de

estruturas pesadas são também melhoradas por práticas deliberadas de

refinamento de grão.

Melhores fundidos resultam de um estrutura de grãos mais fina, providenciada

pela criação de mais pontos de nucleação durante a solidificação do banho.

Normalmente é minimizado a contracção dos poros e a fractura a quente dos

fundidos. Melhores características de alimentação, normalmente significam uma

sanidade do fundido melhorada.

Com um tamanho de grão fino resulta um melhor controle e uniformidade de

resposta ao tratamento térmico, porque existe uma maior homogeneidade da

liga através da estrutura do fundido.

Estruturas de grão fino resultam numa melhor capacidade de extrusão, de

laminagem, e de maquinagem. Operações de acabamento superficial, como por

exemplo polimento e anodização, são também facilitadas e mais bem sucedidas

com o refinamento do grão da estrutura.

Em condições normais de solidificação, as ligas de aluminio sem refinadores

de grão possuem estruturas grosseiras colunares e ou estruturas grosseiras

equiaxiais. A estrutura colunar grosseira (fig. 17 a) é menos resistente à fractura

durante a solidificação e arrefecimento pós solidificação do que a estrutura

muito refinada para a mesma liga mostrada na figura 17 b.

Figura 17 – (a) À esquerda existe uma estrutura colunar grosseira não refinada. (b)

À direita a estrutura é equiaxial e fina visto que sofreu refinamento de grão.

Uma estrutura de grão fino também minimiza efeitos nefastos no

vazamento, bem como propriedades associadas com o tamanho e distribuição

de compostos intermetálicos. Partículas intermetálicas de grande dimensão e

insolúveis que se encontrem presentes ou se formem numa gama de

temperatura compreendida entre a temperatura de liquidus e a de solidus

reduzem as caracteristicas de alimentação.

Reduzindo a magnitude dos efeitos de fronteira de grão através do

refinamento de grão, as tendencias de fissuração a quente de algumas ligas de

solução solida, tais como as da família 2xx.x e 5xx.x, podem ser

substancialmente reduzidas.

Refinamento de Grão de Ligas de Fundição

Em ligas de fundição com 7 % de Si, são geralmente usadas ligas mestras

de alumínio-titânio ou sais de modo a refinar o grão. Um nível de adição de 0.10

a 0.25% de Ti geralmente assegura um bom refinamento o grão sendo o agente

nucleador, na ausência de boro, as partículas de TiAl3.

Apesar do sucesso do uso do titânio como um refinador de grão, verificou-se

recentemente que o boro pode ser um refinador mais eficaz que o titânio nas

ligas de alumínio-silício. A figura 18 compara o tamanho de grão conseguido

com adições de boro, titânio, e uma mistura de boro e titânio numa liga 356.

Figura 18 – Comparação da eficiência de vários refinadores de grão na liga de

alumínio 356.

Estes resultados estão em contraste com a experiência em ligas brutas, nas

quais as ligas mestras de alumínio-titânio-boro são refinadores poderosos

apesar das ligas de alumínio-boro não refinam devidamente o grão. Nas ligas

brutas mais recentes o teor de silício é geralmente inferior a 0.5 %; como nota

comparativa, as ligas de fundição contêm um teor de 7% de Si ou maior. Por

isso, pode ser que com maiores teores em silício, a eficiência das partículas

nucleantes de TiAl3 seja envenenada pela precipitação de compostos de silício-

titânio. Como consequência, são necessárias elevadas adições de titânio de

modo a se atingir um refinamento adequado em ligas que contem altos teores

de silício.

Em banhos que usam somente refinadores de grão de alumínio-boro, o

principal constituinte refinador são os precipitados de AlB2, que parecem poder

ser melhorados com teores crescentes de silício dissolvido. Contudo, o AlB2 vai-

se dissolver e reagir com titânio residual de modo a formar TiB2, que pode

assentar no fundo do forno como escória. Se isto ocorre, as capacidades de

refinamento de grão são perdidas.

A figura 19 demostra a eficiência da liga mestra Al-2.5Ti-2.5B nas ligas de

fundição 356 e 319 comparando-a com a da liga Al-5Ti-1B.

Figura 19 – Eficiência de refinadores de grão de titânio–boro nas ligas de alumínio

356 e 319.

Claramente, o uso de maiores níveis de boro e menores níveis de titânio do

que os anteriormente usados podem ter benefícios substanciais para as ligas de

fundição.

Tratamentos Térmicos

A metalurgia do alumínio e suas ligas oferece uma vasta gama de

tratamentos térmicos de modo a obter a combinações de propriedades

mecânicas e físicas desejadas.

O tratamento térmico das ligas de alumínio baseia-se na variação das

solubilidades das fases metalúrgicas. Como a solubilidade do eutéctico aumenta

com o aumento da temperatura até à temperatura de solidus (verificado no

sistema binário eutéctico da figura 20) a formação e distribuição de fases

precipitadas pode ser usada para influenciar as propriedades do material. Além

das mudanças de fases e de morfologia, outros efeitos podem ocorrer com a

elevação da temperatura para o tratamento térmico.

Figura 20 – Parte do diagrama de fases alumínio–cobre, indicando as gamas de

temperatura para realização de tratamentos térmicos.

A microsegregação na estrutura dos fundidos pode ser eliminada ou pelo

menos minimizada, as tensões residuais causadas pela solidificação ou por

têmpera são reduzidas, e fases insolúveis podem sofrer alterações.

Os tratamentos térmicos usados nas ligas de alumínio são:

Solubilização (ligas 3xx.x e 7xx.x);

Têmpera (algumas 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x e 5xx.x);

Precipitação/Envelhecimento (ligas 3xx.x e 5xx.x);

Recozimento (geral).

Em certos casos, se a velocidade de arrefecimento da peça fundida no molde for

suficientemente rápida, pode obter-se uma liga para tratamento térmico nos estado

de solução sólida sobresaturada. Deste modo, as etapas de solubilização e têmpera

podem ser eliminadas no endurecimento por precipitação de peças fundidas, sendo

apenas necessário fazer o envelhecimento após a peça ter sido removida do molde.

Um bom exemplo de aplicação deste tipo de tratamento térmico é a produção de

pistões de automóveis endurecidos por precipitação. A designação deste

tratamento térmico é T5

Bibliografia

Sebenta das aulas teóricas de Fundição II, Engº Silva Ribeiro

Metals Handbook volume II e XV, american society of metals

Aluminum Casting Technology, 2nd edition The American Foudrymen´s Society Inc

Princípios de ciência e engenharia dos materiais, William F Smith

Cours Élémentaire de Fonderie, Syndicat général de Fondeurs de France, Volume IV

e VIII, H. Coste\