INFLUÊNCIA DA TAXA DE RESFRIAMENTO E ADIÇÃO DE SR … · avaliar a influência do Sr e das condições de resfriamento na microestrutura da liga Al-Si ... da liga de alumínio

INFLUÊNCIA DA TAXA DE RESFRIAMENTO E ADIÇÃO DE SR NA MICROESTRUTURA DE UMA LIGA A356 SOLIDIFICADA SOB CONDIÇÕES

CONTROLADAS

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

[email protected] Instituto Federal do Espírito Santo (IFES)

RESUMO

O estudo da solidificação de metais é de extrema importância para a previsão

das propriedades mecânicas, pois as condições de solidificação influenciam

diretamente nestas propriedades. No caso das ligas de Al-Si, o espaçamento

interdendrítico da fase α(Al) e a morfologia do Si eutético são parâmetros

importantes a serem estudados na microestrutura final de uma peça. Sabe-se que a

velocidade de formação da fase sólida, gradientes térmicos e taxas de resfriamento

são exemplos de variáveis de processo que influenciam diretamente nestes

parâmetros. Além disto, a utilização do Sr também é de grande importância, pois

este elemento atua na modificação da morfologia do Si eutético proporcionando

melhorias na resistência mecânica e ductilidade da liga. O objetivo deste trabalho é

avaliar a influência do Sr e das condições de resfriamento na microestrutura da liga

Al-Si A356. Para isto será utilizado um molde em aço inox AISI316 para a

solidificação controlada das amostras de alumínio.

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

microestruturais, modificação com estrôncio.

INTRODUÇÃO

Pacz(1) descobriu acidentalmente a modificação de cristais de Si em ligas Al-Si

e também notou que as propriedades mecânicas melhoravam significativamente

após o tratamento de banho com fluoretos alcalinos a base de Na. Este

procedimento capaz de promover um refinamento das partículas de Si foi

denominado “modificação do Si”. Sabe-se que a morfologia do silício sofre uma

transição na presença de determinados elementos tais como o Na, o Sr e algumas

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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terras raras. Em 1966, Crosley e Mondolfo(2) descobriram a relação entre os

elementos modificadores e o fósforo. Enquanto o fósforo engrossa as partículas de

Si, os modificadores as refinam.

Em 1999 Easton e St(3) John mostraram que a adição de Sr em ligas Al-Si

hipoeutéticas resultava na transformação da morfologia das placas grosseiras do Si

eutético para uma estrutura fibrosa refinada com grande melhoria nas propriedades

mecânicas. Os efeitos do Sr na modificação do Si não são apenas afetados pelas

variáveis do processo de modificação, como quantidade de Sr adicionado,

temperatura e tempo de tratamento, mas também pelas condições de resfriamento

da liga durante a solidificação. Estudos indicam que a taxa de resfriamento durante a

solidificação tem influência importante sobre os efeitos de modificação do Sr. Se a

liga solidificar com uma baixa taxa de resfriamento, a adição de Sr promove o

crescimento colunar das dendritas primárias de Al(4)

O objetivo deste trabalho é avaliar a influência do Sr e das condições de

resfriamento durante a solidificação na microestrutura da liga Al-Si A356 utilizando

um molde em aço inox AISI 316 para a solidificação controlada das amostras de

alumínio.

MATERIAIS E MÉTODOS

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

Para a realização dos experimentos de solidificação da liga Al-Si A356 foi

utilizado um molde em aço inox com uma base de cobre desenvolvido

anteriormente. Neste molde deseja-se que a transferência de calor ocorra

preferencialmente pela base refrigerada à água. Para isto todo o molde é revestido

com uma manta térmica a fim de minimizar as trocas térmicas pelas laterais. A

Figura 01 apresenta o esquema do aparato experimental.


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Figura 01 – Esquema do aparato experimental

A Figura 02 apresenta as fotos do molde e do aparato experimental montado.

Figura 02 – Molde e aparato experimental.

O procedimento experimental foi conduzido nas seguintes etapas:

i) Fusão de 1kg da liga de alumínio A356 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) Adição de 0,2% da liga Al-10Sr ao alumínio fundido;

iv) Agitação do banho de alumínio por aproximadamente 30 segundos e tempo

permanência de 5 minutos.

v) 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 molde.

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

metálico.


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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.

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

Para avaliar a influência do Sr na microestrutura final da liga A356, o mesmo

procedimento experimental foi realizado anteriormente com uma amostra sem

adição de Sr. As Figuras 04 e 05 mostram os resultados e comparações das

micrografias.

A Figura 03 apresenta as curvas de resfriamento para os quatro pontos

medidos durante a solidificação da amostra com adição de Sr.

Figura 03 – Curvas de resfriamento em diferentes posições


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Figura 04 – Micrografias apresentando as dendritas de Al em diferentes posições das amostras produzidas com e sem adição de Sr. (a) 0cm com Sr, (b) 0cm sem Sr, (c) 2cm com Sr, (d) 2cm sem

Sr, (e) 6cm com Sr, (f) 6cm sem Sr, (g) 11cm com Sr, (h) 11cm sem Sr.

0cm

2cm

6cm

11cm

a b

c d

e f

g h

100µm 100µm

100µm 100µm

100µm 100µm

100µm 100µm


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Figura 05 – Micrografias apresentando a morfologia do Si eutético em diferentes posições das amostras produzidas com e sem adição de Sr. (a) 0cm com Sr, (b) 0cm sem Sr, (c) 2cm com Sr, (d)

2cm sem Sr, (e) 6cm com Sr, (f) 6cm sem Sr, (g) 11cm com Sr, (h) 11cm sem Sr.

0cm

2cm

6cm

11cm

a b

c d

e f

g h

10µm

10µm

10µm

10µm

10µm

10µm

10µm

10µm


5184

As dendritas da fase α-Al Se formam mais refinadas em regiões onde a

velocidade de resfriamento é mais elevada. É possível observar pela Figura 04 que

a adição de Sr favoreceu o refinamento das dendritas de Al principalmente para

amostras mais próximas à base do lingote, onde a solidificação ocorreu mais

lentamente.

A morfologia do silício eutético tende a ter forma de agulhas mais grosseiras a

medida que a velocidade de resfriamento diminui, porém nas amostras que sofreram

adição de Sr, o silício apresenta uma morfologia mais fibrosa conforme observa-se

na Figura 05.

CONCLUSÕES

Tanto as dendritas da fase Al-α quanto o Si eutético se formam mais refinados

com a adição de 0,2% em peso da liga Al-10Sr. Isto é menos notável quando a liga é

solidificada sob elevadas taxas de resfriamento.

Em trabalhos posteriores serão realizados ensaios de tração nas amostras com

a finalidade de correlacionar as propriedades mecânicas da liga A356 com a taxa de

resfriamento e adições do modificador Sr. Também serão realizadas medições dos

espaçamentos interdendríticos primários e secundários.

REFERÊNCIAS 1. PACZ A.:Alloy–Patente 1387900, U.S., Agosto 1921, Série 358555.

2. CROSSLEY, P. B.; MONDOLFO, L.F.: The modification of aluminum silicone

alloys, ModernCasting, v. 49, p. 53-64, 1966.

3. EASTON M, St JOHN D. Grain refinement of aluminum alloys [M]. Metal

MaterTrans A, V. 30, p. 1613-1623, 1999.

4. 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.


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INFLUENCE OF COOLING RATE AND ADDITION OF SR IN MICROSTRUCTURE OF A356 ALLOY SOLIDIFIED UNDER CONTROLLED CONDITIONS

ABSTRACT

The study of solidification of metals is of utmost importance for the prediction of

mechanical properties since the solidification conditions directly influence these

properties. In the case of the Al-Si alloy, the interdendritic spacing of the α phase

(Al), and the morphology of the eutectic Si are important factors to be studied in final

microstructure parameters. It is known that the rate of formation of the solid phase,

temperature gradients and cooling rates are examples of process variables which

directly influence these parameters. Moreover, the use of Sr is also of great

importance, because this element operates in modifying the morphology of the

eutectic Si by providing improvements in strength and ductility of the alloy. The

objective of this work is to evaluate the influence of Sr and cooling conditions on the

microstructure and of Al-Si alloy A356. A stainless steel AISI316 mold was used for

the controlled solidification of the aluminum samples.

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


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