Disciplina: Fundição Dr. Eng. Metalúrgica · Ferro Fundido Nodular – grafita em nódulos (esferoidal) Ferro Fundido Cinzento – grafita em lamelas (veios) Disciplina: Fundição

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Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas d e alumínio

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

1. Solidificação de Ferros Fundidos

- Introdução

- Diagrama Fe-C

- Diagrama Duplo Fe-C para os Ferros Fundidos

- Influências dos elementos de liga e da velocidade de resfriamento

- Classificação dos Ferros Fundidos

2. Solidificação das Ligas de Alumínio

- Introdução

- Diagrama Al-Si

- Influências dos elementos de liga

- Modificação das ligas Al-Si

- Microestruturas e propriedades mecânicas

- Mecanismos de endurecimento

% C (em peso)

Feγ

Feγ + L

Feδ + L

Feδ

L + Fe3C

L

Feγ + Fe3C

Feδ + Feγ

T (0C)

Feα + Fe3C

Fe0,8 4,3

727

912

1148

Feα

Feα+ Feγ

1450

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Solidificação de Ferros Fundidos

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Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos

Sistema Estável ⇒Formação de

austenita + grafita ⇒Ferro

Fundido Cinzento

Sistema Metaestável ⇒ Formação de

austenita + Fe3C⇒

Ferro Fundido Branco

Fatores que influem no Equilíbrio

Velocidade de Resfriamento

Elementos de Liga



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Carbono (%)

Tem

pera

tura

(0 C

)

1100

1140

1180

1220

1260

1300

3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4

L

L +Feγ

Feγ + Fe3C

Feγ + grafita

1ª fase: Solidificação pró-eutética ⇒ formação de dendritas de Fe γ

Ocorre a contração na solidificação

2ª fase: Solidificação do eutético - Fe γ + grafita

Ocorre expansão devido a formação da grafita e contração devido a formação da austenita (Fe γ).


Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos

Carbono Equivalente (%)

Tem

pera

tura

(0 C)

1100

1140

1180

1220

1260

1300

3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4

L

L + Feγ

L + Grafita

L + Fe3CTemperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Cementita

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita



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Influência dos Elementos de Liga

Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

⇒ Grafitizante

⇓

Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento

Cr ⇒

Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

⇒

Estabilizador de Carbonetos

⇓Favorece a formação de Ferro Fundido Branco



Influência do Si no Eutético Fe-C



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Influência do 30 elementona solubilidade do C no ferro líquido, % em peso do elemento de liga



Temperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Grafita

% de Silício



Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

Grafitizante

Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento

Tem

pera

tura

(0 C)

1120

1140

1160

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

⇓



6

Cr ⇒

Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável

Estabilizador de Carbonetos

⇓

Favorece a formação de Ferro Fundido Branco

Tem

pera

tura

(0 C)

% de Cromo

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

1100

1120

1140

1160 Temperatura abaixo da qual pode

solidificar o eutético Austenita-Grafita





Influência da Velocidade de Resfriamento

Curvas de Resfriamento

⇒ Indicam :

Temperaturas de Transformação Eutética

Velocidade de Resfriamento

Resfriamento Rápido

⇒

Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável

⇒Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento)



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Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns

1 2 3

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o

eutético Austenita-Grafita

Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético

Austenita-Cementita

1 - Ferro Fundido Cinzento

2 - Ferro Fundido Mesclado

3 - Ferro Fundido Branco



T (0C)

t (tempo)

Classificação dos Ferros Fundidos

Ferros Fundidos Comuns

Cinzentos

Brancos

Ferros Fundidos Especiais

Nodulares

Vermiculares

Maleáveis

Ligados



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Classificação dos Ferros Fundidos

Cinzento

Nodular

Maleável

Branco

Vermicular

PERLÍTICO

FERRÍTICO

BAINÍTICO

MARTENSÍTICO



Ferro Fundido Tipo σt

Mpa

σesc

Mpa

Along. (5cm)

AplicaçõesTípicas

Cinzento(3,2 C - 2 Si)

Perlítico 275 240 <1% Blocos de motor

Martensítico 550 550 nulo Superfícies sujeitas ao desgaste

Bainítico 550 550 nulo Eixos de cames

Ferrítico 172 138 < 1% Tubulações, bases de máquinas

Nodular(3,5C - 2,5Si)

Ferrítico 413 275 18 Tubulações

Perlítico 550 380 6 Árvore de manivela

RevenidoMartensítico

825 620 2 Partes especiais de máquinasMaleável

(2,2C - 1Si)Ferrítico 365 240 18 Ferramentas em

geral

Perlítico 450 310 10 Equipamentos ferroviários

RevenidoMartensítico

700 550 2 Equipamentos ferroviários

Branco(3,5 C - 0,5Si)

Perlítico 275 275 nulo Produtos resistentes ao desgaste



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Ferro Fundido Nodular – grafita em nódulos (esferoidal)

Ferro Fundido Cinzento –grafita em lamelas (veios)

Solidificação de Ferros FundidosDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Ferro Fundido Vermicular ou de Grafita Compacta – grafita

vermicular

Ferro Fundido Maleável –ferrita, nódulos de grafita e

algumas inclusões



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Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente PerlíticaCom a presença de Estruturas conhecidas como “Olho de Boi”(Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x.



Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica.Ataque: Nital. Aumento 200x.



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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 Al

Flow chart to Aluminum alloy selection

Solidificação de Ligas de AlDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

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

Elementos de liga secundários (minor elements): níq uel (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 Fundiçã o: elementos usualmente presentes


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



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Ligas de fundição mais

utilizadas

Ponto EutéticoSi 12,6 %T = 5770C

Diagrama Al-Si

L

α

α + L

Al Si

α + ββ

L + β660

1430

T (oC)

577

12,6




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

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

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Ligas de Fundição ⇒ Si - 5 a 24%

T (oC)

Al

β

1430

L

α

Si

660

α + Si

5770C

DIAGRAMA Al-SiLIGAS DE Al PARA

FUNDIÇÃO



Classificação das ligas Al-Si em

função do teor de Si

Ligas Hipereutéticas

Ligas Hipoeutéticas


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

β

Si

L

α

Al

T (oC)

- Excelentes propriedades de fundição

-Fragilidade em função da morfologia do Si

- Aplicações especiais (alta resistência ao desgaste)


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L

α+L

α

Al →%Cu

5,65Cu 33Cu

α + CuAl2

T (0C)

5480C

6600C

Diagrama Al-Cu

Maior região de solubilidade sólida

Ligas aceitam tratamento de solubilização




Propriedades dos Fundidos

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


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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


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Importância dos elementos de liga

Elementos que formam precipitados endurecedores:

Elementos que atuam como refinadores de grãos:

MnTi Bo Cr

Fe Zn Ni




Propriedades de Fundição

Aumenta fluidezSi

Reduz a contração volumétrica externa

Cu Reduz fluidez

Provoca fragilidade a quente

Reduz a contração interna

FUNDIBILIDADE

FUNDIBILIDADE



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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






Si

Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão

Melhora soldabilidade

Reduz coeficiente de expansão

Melhora estanqueidade



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Cu

Melhora a usinabilidade

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

Reduz a resistência à corrosão





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



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

NiMelhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas



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 ataq ue aos refratários (forma pontos duros)

Pb Não é miscível no Al líquido



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Liga Al5Si (443)

Fundida em Areia

Si

Fe3SiAl 2(claro )

Dendritas de Solução Sólida (Al α)

Liga Hipoeutética



Microestrutura das Ligas

Hipoeutéticas

MATRIZ

Dendritas Celulares de Al α

ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA

• Partículas de Si eutético

• Fe3SiAl 2

• Fe2 Si

Tonalidade de Cinza



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

AB

C

D

A = Dendritas de Solução Sólida α

B = Rede Interdendrítica de CuAl2 (cinza claro)

C = Agulhas de Cu2FeAl7 (cinza médio)

D = Partículas de Si(cinza escuro)



C

Modificação de Ligas Al-Si

• Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleante s) como Na – Sb – Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente disper sas na Matriz de Al α• 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 d e modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéti cas mantendo-se as características de fundição inerente s às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiram ente hipoeutéticas

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



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Eutético Normal

12,6% Si T = 5770C

Eutético Modificado14,2% Si T = 5620C

Si

L

α

α + L

Al

α + 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



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Propriedades Mecânicasda Liga A356 Bruta de

Fusão e Modificada com Na em função do

tamanho dos grãos.

Liga Modificada com Na



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 σesc(Mpa)

σmax (Mpa)

Alongamento (%)

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



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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)



F- Bruta de fusão(InvestmentCasting)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)Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran


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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



Bruta de fusão(investment casting)

Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu2Mg8Si6Al5 (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)



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Bruta de Fusãoem 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 SolubilizadaPartículas 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)




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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

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



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