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Ligas de alumínio para fundição
Relações entre o processo de fundição e a microestrutura
Marcelo F. MoreiraInstituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT
Escola de Engenharia Mauá
(011) 37674170 e-mail: [email protected]
2
Fundidos de alumínio
transportes
bens de
capital
util.
Domesticas
exportação
Mercado das ligas de alumínio fundidas
2
3
Aplicações das ligas de alumínio
┐ Por questões de
demanda, segurança
e conforto, a massa
dos veículos vem
aumentando nos
últimos anos.
4
Aplicações das ligas de alumínio
┐ Para reverter ou
compensar o
aumento do consumo
e das emissões, é
necessário reduzir a
massa do veículo.
As ligas de Al fundidas são empregadas em componentes
do motor, da suspensão e da estrutura.
3
5
Aplicações das ligas de alumínio
┐ A redução de 100 kg em
um automóvel a gasolina
resulta em:
┐ redução de 9 g de CO2 por
km e
┐ uma redução do consumo
de 0,4 litros para cada 100
km.
6
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes do motor (bloco, cabeçote, pistões tampas, carcaças e suportes)
4
7
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes de suspensão fundidos
Componentes de suspensão fundidos em coquilha (A357 T6)
8
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes estruturais fundidos por
gravidade em liga A356 T6 utilizados no
“space frame” da F360
5
9
Importância dos fundidosABAL 2007
┐ Fundição sob pressão 38%
┐ Fundição por gravidade 34%
┐ Fundição por baixa pressão 4%
┐ Laminados 48%
┐ Extrudados 17%
┐ Fios e cabos 8%
┐ Pó 2%
┐ Outros 5%
* 63% deste total é produzido com alumínio reciclado
Produtos
fundidos
20%
Produtos
conformados
80%
10
Ligas de alumínio fundidas
Endurecidas por meio
dos tratamentos
térmicos de
solubilização e
envelhecimento
6
11
Ligas Al-Si
┐ Mais de 95% dos componentes fundidos de alumínio são
produzidos com ligas do sistema Al-Si:
AA SAE Processo Aplicações
B 380 306 Injeção Carcaças, corpos e suportes injetados.
319, 380 326 Coquilha e areia Cabeçotes, carter estrutural.
339, 336 321 Coquilha Pistões e polias.
413 305 Coquilha Rodas e componentes de geometria
complexa.
A356, A357 323 Baixa pressão Rodas, suportes, componentes de suspensão
e cabeçotes.
12
┐ Família das ligas Al-Si (4xx):
Liga 413: Al - 11 a 13%Si
┐ Família das ligas Al-Si-Mg (3xx):
Liga 356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,50%Fe
Liga A356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,20%Fe
Liga A357: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,40 a 0,60%Mg e até 0,20%Fe
┐ Família das ligas Al-Si-Cu (3xx):
Liga 319: Al- 5,5 a 6,5%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
Liga 380: Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
Liga 380 (injeção): Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 1,2%Fe
Ligas de alumínio fundidas
7
13
Características gerais das ligas Al-Si
┐ Baixa densidade (2,7 g/cm3),
┐ Resistência moderada após tratamento térmico (LE ~ 250-
350 MPa);
┐ Baixa temperatura de fusão (permite fundição em moldes
metálicos);
┐ Elevada fluidez, devido a presença de Si;
┐ Baixa tendência à trincas de solidificação (devido ao Si);
┐ Elevado coeficiente de transmissão de calor.
14
┐ Propriedades de interesse em projetos mecânicos:
Material Condutividade térmica
k (W/m.°C)
Limite de escoamento
LE (MPa)
E
(GPa)
KIC
(MPa.m1/2)
Densidade
(kg/cm3)
Al-Si (A356) 145 250 – 350 72 16 - 27 2,7
Ferro fundido cinzento (FF 30)
47 - 56 220 120 17 - 21 7,6
Ferro fundido vermicular
32 - 36 500 165 32 - 46 7,6
Ferro fundido nodular 35 - 42 600 170 33 - 54 7,6
Aço BLAR 50 - 52 800 210 43 - 50 7,8
Aço inoxidável 304 14 - 17 600 195 119 - 228 7,9
Características gerais das ligas Al-Si
8
15
1,0
LE
Ligas de Mg (150 MPa)
Ligas de Al (300 MPa)
Aços (800 MPa)
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
16
9
17
Características gerais das ligas Al-Si
┐ Três características terão efeitos adversos sobre
o processo de fundição:
1. Elevada contração de solidificação que
implicará no uso de massalotes;
18
Contração sólido-liquido
┐ A maioria dos metais
apresenta um volume maior
no estado líquido que no
estado sólido.
┐ Assim, durante a solidificação,
ocorre uma redução de
volume e o componente
fundido fica menor que a
cavidade do molde.
10
19
Contração sólido-liquidoRechupes
┐ As regiões de maior módulo (relação
entre volume e área) serão as
últimas regiões a se solidificar.
┐ Quando estas regiões de líquido se
solidificarem sofrerão uma
contração, resultando em vazios
internos denominados rechupes.
┐ Os rechupes são evitados com a
alimentação destes volumes com
metal líquido para compensar a
contração.
Rechupe sob raios X
Simulação solidificação
20
Contração sólido-liquidoMassalotes
┐ Os massalotes são os
“reservatórios” de metal líquido
para alimentar a contração em
várias regiões do fundido.
┐ Para que o massalote alimente a
contração de solidificação, ele
deve possuir o maior módulo ou
deve estar isolado
termicamente, de modo a ser a
última região a se solidificar.
11
21
Características gerais das ligas Al-Si
2. Elevada reatividade com o oxigênio no estado
líquido (sensibilidade à turbulência no metal
líquido);
3. Elevada solubilidade de H no estado líquido e
reduzida no estado sólido que resulta em
elevada tendência à formação de
microporosidades.
Tratamento do metal líquido
22
┐ A fundição de componentes de qualidade elevada
(“premium quality castings”) envolve a seleção de ligas
contendo baixo teor de Fe (<0,2%), submetidas aos
tratamentos de modificação do eutético Al-Si, de refino
de grãos, de desgaseificação e limpeza e retenção de
inclusões de óxidos.
┐ Estes fundidos são produzidos em moldes metálicos e
tratados termicamente (T6).
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição
12
23
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição
┐ Fluxograma do processo de fundição para de componentes
“premium quality castings”:
Liga A356/A357
Fe < 0,20%
Modificação com Sr
Sr = 60 -150 ppm
Refino de grãos com Al-5Ti-1B
%Ti ~0,15%
Desgaseificação em rotor com N2 ou Ar UP
7 minutos
Escorificação e vazamento sem turbulência
Fundição em molde metálico SDAS entre 20 e 40 m
Solubilização e envelhecimento T6
24
Exemplo de micrografiaA357 (cabeçote G&W Q= 419 MPa)
25 x
100 x 400 x
200 x
13
Microestruturas características das ligas de alumínio fundidas
26Al
Tem
pe
ratu
ra
%Si
Liquido
+ Si
+ L
12,5
7%Si; 0,2% Fe
0,3% - 0,5% Mg
7
A356A357
Microestrutura típica das ligas Al-Si
+ Si
11%Si , 0,2% Fe
413
14
27
Liga A356 (7%Si+0,35%Mg) com tratamento térmico
Liga A413 (11%Si sem tratamento térmico
200 x 200 x
Microestrutura típica das ligas Al-Si
28
Dendritas da fase
Núcleos da fase
líquido
600°C
15
29
Dendritas da fase
Crescimento de dendritas de
líquido
595°C
30
Dendritas da fase
líquido
Crescimento de dendritas de
590°C
16
31
Dendritas da fase
líquido
Crescimento de dendritas de
585°C
SDAS
SDAS
32
Dendritas da fase
580°C
Líquido de composição eutética
Crescimento de dendritas de
17
33
Eutético - Si
Formação de células eutéticasL Al + Si
577°C
34
Eutético - Si
Crescimento das células eutéticasL + Si
577°C
18
35
Eutético - Si
Crescimento das células eutéticasL + Si
577°C
36
Eutéticos secundários ( + Mg2Si) ( + CuAl2) ( + Al5FeSi)
Solidificação dos eutéticos secundários nos contornos de células eutéticas
570°C
19
37
Microestrutura TípicaA356
Dendritas de fase
MEV
38
Microestrutura TípicaA356
Eutético modificado + Si
MEV - Ataque profundo
20
39
Microestrutura TípicaA356
1200 xMg2Si
Si
Mg2Si
= Al8FeMg3Si6
Eutético + Si
100 x
Microestrutura TípicaA356
┐ O processo de fratura
ocorre nas regiões
intercelulares onde existe a
precipitação dos eutéticos à
base de Fe e cobre
(contornos de células
eutéticas).
40100 x
21
41
O problema dos intermetálicos à base de Fe
┐ A contaminação por Fe é
inevitável e é crescente com a
manipulação do banho metálico;
┐ A morfologia em placa do -
Al5FeSi não é alterada pelo
tratamento térmico de
solubilização.
┐ Existe uma redução drástica de
qualidade (Q index) com o
aumento do teor de Fe.
125 x
Em massa: 0,2% Fe = 0,47% -Al5FeSi
Microestrutura TípicaA356
┐ Os eutéticos à base de Fe não
são dissolvidos pelos
tratamentos térmicos.
┐ Assim, o teor de Fe na liga
determina a fração
volumétrica destes eutéticos,
e conseqüentemente, a
ductilidade máxima da liga.
42
100 x
Superfície de fratura em liga com alto teor de Fe (1,3%)
22
Tratamentos de metal líquido realizados em ligas Al-Si para
fundição
44
┐ Em ligas Al-Si comerciais aplicam-se os seguintes
tratamentos de metal líquido:
┐ Desgaseificação;
┐ Modificação do eutético Al-Si;
┐ Refino de grãos e
┐ Limpeza e retenção de inclusões de óxidos.
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para fundição
23
Desgaseificação
46
Formação das microporosidades
┐ O alumínio líquido apresenta elevada solubilidade de
hidrogênio (H). A forma mais comum de absorção de
hidrogênio decorre da umidade do ar, pela reação:
H2O (v)+ 2/3 Al (L) 1/3 Al2O3 + 2H
Hidrogênio dissolvido no metal líquido
24
47
Formação das microporosidades
Elevada solubilidade de H no
estado líquido e baixa no estado
sólido (somente 5% do H é solúvel
no sólido);
Conseqüência é uma elevada
tendência à formação de
microporosidades na peça
solidificada.
48
Efeito das microporosidades
Microporosidades dispersas homogeneamente pelo fundido (decorrentes
do elevado teor de hidrogênio no líquido).
50 x
25
Efeito das microporosidades
┐ A presença de
microporosidades
decorrentes de
hidrogênio promove
redução da ductilidade
(A%), da resistência
mecânica (LE 0,2% e LR) e
da resistência à fadiga.
49
Desgaseificação
┐ Desgaseificação com gás nitrogênio e rotor:
┐ Promove a geração de uma “nuvem” de bolhas de nitrogênio
de pequeno diâmetro com maior tempo de permanência no
banho e pequena agitação da superfície (turbulência).
┐ O processo possui elevada eficiência de desgaseificação
(remoção de hidrogênio dissolvido no líquido) e na limpeza de
inclusões de óxidos em suspensão.
50
26
51
Desgaseificação
Rotor de desgaseificação sobre o forno de espera
Demonstração do rotor de desgaseificação em água
52
Desgaseificação
Al líquido
Como a atividade de hidrogênio
no banho de Al é maior que no
gás (N2), ocorre difusão de
hidrogênio do banho para a
bolha de nitrogênio.
Rotor desgasseificador
N2
N2
H
27
53
Efeito do tempo de desgaseificação (min) em rotor sobre a macroestrutura
de corpos-de-prova solidificados sob vácuo.
Desgaseificação
Tempos em minutos
0 – após fusão
2 – 2 minutos de rotor
3 – 3 minutos de rotor
4 – 4 minutos de rotor
6 – 6 minutos de rotor
7 – 7 minutos de rotor
Modificação do eutético Al-Si
28
55
┐ Efeito da modificação do eutético Al-Si:
┐ Diminui o tamanho das partículas de silício do eutético e
altera a morfologia destas partículas de acicular para
fibrosa,
┐ A alteração de morfologia e o refino das partículas aumenta
a ductilidade das ligas e
┐ Efeito colateral importante: aumento do nível de
microporosidades.
Modificação do eutéticoLigas fundidas Al-Si
56
┐ Modificação do eutético Al-Si com Estrôncio (Sr):
┐ Adição típica 0,01% Sr na forma de ante liga Al-10% Sr,
┐ Baixa reatividade com cadinhos,
┐ Baixa pressão de vapor tornando o efeito do
tratamento longo (de 2 a 4 horas),
┐ Apresenta problemas de supermodificação para
adições superiores a 0,025%.
Modificação do eutéticoLigas fundidas Al-Si
29
57
Modificação do eutético Al-SiAdição de Al-10%Sr
Banho de Al líquido
Sino de grafita Adição de Al-10Sr por meio de
sino de grafita no banho de Al
Adição típica: 100 g de Al-10Sr
para 100 kg de liga
58
Modificação do eutéticoMO
Estrutura do eutético
Liga: Al- 7% Si –0,3% Mg (A356) Liga: Al – 11%Si (A413)
LR [MPa]
A%[%]
LR[MPa]
A%[%]
Acicular(sem modificação)
140 4 120 4
Fibrosa(modificada)
150 12 130 14
30
59
Modificação do eutético Al-SiMO
┐ Tratamento de modificação:
Sem modificação Modificado com Sr
200 x 200 x
60
250 x
2000 x
Modificação do eutéticoMEV
500 x
1000 x
Sem
mo
dif
icaç
ão
31
61
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
400 X
Fratura frágil – baixa ductilidade (1% - 2%)
Sem modificação
62
250 x
4000 x
Modificação do eutéticoMEV
500 x
2000 x
Mo
dif
icad
o c
om
Sr
32
63
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
400 X
Fratura dúctil – maior ductilidade (5% - 10%)
Modificado com Sr
Tratamentos térmicos em ligas Al-Si para fundição
33
65
┐ Em aplicações de construção mecânica que requerem
limites de escoamento superiores a 150 MPa são
empregadas ligas fundidas tratáveis do sistema Al-Si
(contendo Cu, Mg ou Zn) submetidas aos tratamentos
térmicos de solubilização e envelhecimento.
┐ O envelhecimento é, normalmente, o tratamento T6.
Ligas tratáveis termicamente
66
Ligas tratáveis termicamente
Endurecidas por meio
dos tratamentos
térmicos de
solubilização e
envelhecimento
34
67
Ligas tratáveis termicamente
┐ São endurecidas por meio dos tratamentos
térmicos de solubilização e de
envelhecimento.
┐ O mecanismo de endurecimento é a
dispersão de partículas coerentes pela
matriz, visando restringir a movimentação de
discordância e aumentar a resistência
mecânica.MET 100.000x
68
Ligas tratáveis termicamente
┐ Os precipitados endurecedores são: Mg2Si, CuAl2 e Zn. Assim a
liga tratável termicamente a liga precisa conter em sua
composição:
┐ Cu
┐ Mg e Si
┐ Zn e Mg
Partículas coerentes de CuAl2 (’)
Partículas coerentes de Mg2Si (’)
Partículas coerentes de Zn2Mg (’)
35
69
Tem
per
atu
ra
tempo
Solubilização
+ (´´e ´)
Solubilização e envelhecimento
Envelhecimento
+
Temperatura e tempo de envelhecimento
definidos pela resistência mecânica (T4, T6
ou T7)
Resfriamento em água
Resfriamento ao ar
T6 em 7149
70
┐ No caso das ligas Al-Si-Mg, o tratamento de
solubilização (entre 470°C e 540°C) promove a redução
de segregação interdendrítica, dissolução de Mg e a
esferoidização das partículas de Si.
┐ Todas as etapas do tratamento (aquecimento, residência
e resfriamento) deste ciclo térmico afetam as
propriedades mecânicas finais do fundido.
Endurecimento por precipitaçãoSolubilização
36
71
Endurecimento por precipitaçãoSolubilização
Efeito do tempos de
solubilização (540°C)
nas partículas de Si
em liga A356:
(a)- 1,5 min
(b)- 5,5 min
(c)- 19,5 min
(d)- 6 h
72
Endurecimento por precipitaçãoSolubilização
37
73
┐ T6 representa a resistência
máxima, relacionada à maior e
mais homogênea dispersão de
precipitados coerentes e semi-
coerentes.
Envelhecimento (T6)
WW
MET 200.000x
74
Dispersão de precipitados ´ (Mg2Si) em liga A356
Tamanho das partículas da
fase Mg2Si precipitada em
liga A356 solubilizada a
535°C:
170°C - 60 minutos 190°C - 60 minutos 205°C - 60 minutos
38
75
Referências
1) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993
2) Gruzleski, J. E. ; Closset, B. M. The treatment of liquid aluminum-silicon alloys The American
Foundrymen´s Society - AFS 1990
3) Fuoco, R. Curso de fundição de ligas de alumínio - Acervo técnico IPT
4) Sigworth, G. K production of High quality strutural casting AFS International Conference in Aluminum
castings 2003
5) Mohanti, P. S.; Gruzleski, J. E. mechanism of grain refinement in aluminum Acta Metall. Mater v.43 n.5
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6) Closset B.; Gruzleski, J. E. Structure and properties of hypoeutectic Al-Si-Mg alloys modified with pure
strontium Met. Trans. A. june 1982 p. 945
7) Moreira, M. F. Acervo de Relatórios técnicos IPT
8) Moreira, M.F.; Fuoco R. Aspectos da fratura por fadiga em componentes fundidos em ligas de
alumínio Anais do II Congresso Internacional do Alumínio, 23 a 25 de agosto de 2005, São Paulo, Brasil
9) Fuoco, R.; Corrêa E. R. Incipient melting in heat treatment of Al-Si-Mg and Al-Si-Cu alloys AFS
transactions 2002 paper 135
