Efeito de refinadores de grãos

O refino de grão em ligas de alumínio é um método comumente adotado para se obter estruturas de grãos equiaxiais relativamente refinadas e com tamanhos de grão uniformes através da adição de diferentes tipos de inoculantes. Os tipos de inoculantes mais usados em ligas de alumínio são os pertencentes aos sistemas: Ti- Al, Al-Ti-C, Al-B e Al-Ti-B. Os benefícios associados à prática de refinamento de grão são: o aumento de resistência mecânica; um acabamento superficial uniforme e reprodutível; a redução de tensões residuais internas, entre outras (MAXWELL; HELLAWELL, 1975).

O mecanismo de refino de grão ocorre da seguinte forma. Durante o processo de solidificação, no resfriamento, o metal líquido possui diversos pontos em potencial de nucleação dispersos, e uma grande quantidade destes pontos se tornam ativos durante a solidificação e nucleiam a fase sólida. Acredita-se que quando as ante ligas

Areia de quartzo Areia de alumina Areia de cromita Espessura da parede [mm] SDAS [ µ m]

são adicionadas ao banho metálico, a matriz de alumínio se dissolve e libera partículas intermetálicas no banho que subsequentemente agem gerando novos núcleos de solidificação. (MOHANTY; GRUZLESKI, 1994)

No caso de ligas de alumínio, as ante ligas de Ti e B são os refinadores de grãos mais usados. Estes inoculantes favorecem a formação de partículas de Al3Ti que nucleiam

o alumínio através de uma reação peritética: Líquido + Al3Ti → Al + Al3Ti, conforme a

Figura 27.

Figura 27. Diagrama de fases Al-Ti ilustrando o campo da reação peritética e representação esquemática pra nucleação do alumínio a partir da reação L + Al3Ti → (Al)

Fonte: Adaptado de MOHANTY e GRUZLESKI, 1995.

Prasada Rao et. al. (2008) analisaram o efeito de uma mistura de refinadores de grão (Al-Ti-C) com modificadores Sr e Sb nas dendritas de Al e na morfologia do Si eutético. A mistura adicionada ao alumínio fundido antes do vazamento no molde foi: Al-5Ti-2C (0,5 %p), Sr (0,02 %p) e Sb (0,5 %p).

A Figura 28 apresenta a micrografia obtida através de um microscópio eletrônico de varredura da liga sem a adição da mistura. Nesta imagem as dendritas de Al aparecem grosseiras e o Si eutético aparece em forma de placas e agulhas.

Figura 28. Micrografia MEV da liga A356 sem tratamento (aumento 500x)

Fonte: PRASADA RAO et al, 2008.

A Figura 29(a) mostra a micrografia da amostra que foi vazada no molde 5 minutos após a adição da mistura de refinadores de grão e modificadores. Os autores afirmam que o espaçamento interdendrítico secundário reduziu de aproximadamente 50 para 15µm e isto provavelmente ocorreu devido a presença do refinador de grão Al-5Ti-2C que forma sítios para a nucleação de α-Al. O Si eutético sofreu boa modificação apresentando uma morfologia fibrosa.

Figura 29. Micrografia MEV da liga A356 com tratamento (a) 5 min de permanência (b) 120 minutos de permanência (aumento 200x)

Fonte: PRASADA RAO et al, 2008.

A amostra da Figura 29(b) foi vazada no molde 120 minutos após a adição da mistura e é possível observar que as dendritas se tornaram mais grosseiras, sugerindo uma perda na eficiência do Al-5Ti-2C. O Si eutético neste caso, apresenta uma morfologia lamelar fina, o que sugere uma modificação por Sb. Apesar de tanto o Sr como o Sb estarem presentes no alumínio líquido, a modificação do Si eutético pelo Sr se mostrou

mais ativa para um menor tempo de permanência (5 minutos), porém a perda da eficiência do Sr em maiores tempos de permanência (120 min) foi compensada pela ação do Sb.

Mallapuret et al, (2010) estudaram a influência do titânio, boro e estrôncio na microestrutura e propriedades mecânicas da liga A356. Foram preparadas cinco ligas com composições químicas diferentes solidificadas em moldes cilíndricos de grafite. A Tabela 2 apresenta os resultados das propriedades mecânicas para cada liga estudada.

Tabela 2. Composição e propriedades mecânicas das ligas estudadas. Liga n° Composição 0,2%PS (MPa) UTS (MPa) %E %R YM VHN 1 A356 131 185 3,25 3,32 87 245 2 A356 + 0,65% de Al-3Ti 132 188 4,05 5,85 88 252 3 A356 + 0,60% de Al-3B 135 192 4,52 6,74 89 260 4 A356 + 0,20% de Al-10Sr 139 195 4,78 7,15 92 281 5 A356 + 0,65% de Al-3Ti + 0,60% de Al-3B + 0,20% de Al-10Sr 142 202 4,92 7,55 100 298

Fonte: MALLAPURET et al., (2010)

Observa-se que os maiores valores para todas as propriedades analisadas foram obtidos na liga n° 5 que sofreu adição conjunta dos refinadores de grão Ti, B como modificador Sr.

Figura 30. (a) Liga n°1, (b) liga n°2, (c) liga n°3, (d) liga n°4, (e) liga n°5.

Fonte: MALLAPURET et al., 2010.

Na Figura 30 é possível notar claramente a diferença microestrutural entre as ligas estudas, sendo que a liga n°5 apresenta nitidamente a ação conjunta dos refinadores de grão na estrutura dendrítica de α-Al e do modificador Sr na morfologia do Si eutético.

4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Conforme já explicado, o foco deste trabalho foi realizar um estudo das propriedades mecânicas da liga comercial A356, correlacionando suas propriedades mecânicas com parâmetros microestruturais obtidos através de diferentes condições de processo. Especificamente, foi dada atenção ao espaçamento interdendrítico secundário e a morfologia do silício eutético. Para variar a microestrutura final após a solidificação, foi planejado a realização de experimentos de fusão e solidificação alterando os seguintes parâmetros: taxa de resfriamento durante a solidificação e composição química com adição de Sr e TiB respectivamente através do uso das ante ligas Al10%Sr e Al5%Ti1%B. Para viabilizar a variação da taxa de resfriamento, foi produzido um molde metálico cilíndrico para a solidificação da liga de alumínio, em que a refrigeração do molde ocorresse principalmente através da base, fazendo com que o metal fundido solidificasse sob diferentes taxas de resfriamento nas diferentes alturas do molde. No item 4.1 são apresentados os detalhes de fabricação da coquilha.

A liga escolhida foi a comercial A356 porque é largamente utilizada em processos de fundição. Para conferir a concentração dos elementos presentes amostras foram analisadas em um espectrômetro de emissão ótico da marca “WAS – Oxford Modelo Foundry Mater Pro”. No total foram feitos 4 experimentos com diferentes variações de adição de ante liga e a Tabela 3 sumariza os mesmos.

Tabela 3. Composição química das ligas em cada experimento. Experimento 1 Liga A356

Experimento 2 Liga A356 + 0,2% (Al10%Sr)

Experimento 3 Liga A356 + 0,5% (Al5%Ti1%B)

Experimento 4 Liga A356 + 0,2% (Al10%Sr) + 0,5%

(Al5%Ti1%B)

Fonte: Autor, 2015.

Para cada tipo de experimento foram produzidos dois lingotes. Um deles foi seccionado em diferentes posições para análise metalográfica em cada região, já o segundo foi utilizado para produzir corpos de prova para a realização de ensaios de tração. Nenhum tipo de tratamento foi dado as amostras pois, o objetivo era verificar somente a influência da microestrutura bruta de fusão formada.

O fluxograma da Figura 31 mostra de forma resumida as etapas do procedimento experimental.

Figura 31. Fluxograma geral do procedimento experimental.

Fonte: Autor, 2015.