Ligas Al-Si

O sistema Al-Si é a base para diversas ligas comerciais, com predominância na indústria de fundição, onde é utilizado desde na convencional fundição em areia até no processamento no estado semissólido [Efzan et al., 2013]. Sua microestrutura é conhecida pelo formato acicular do silício na estrutura eutética e pelo arranjo dendrítico presente nas ligas hipoeutéticas. O cristal primário de silício das ligas hipereutéticas contribui para melhorar a resistência ao desgaste [Elmadagli et al., 2007], todavia, devido à fragilidade dessa fase, uma grande quantidade acarreta na redução da ductilidade, tenacidade e resistência à fadiga em alta temperatura [Okamoto et al., 2007; Ikuno et al., 2005]. A Figura 2.14 demonstra a diferença microestrutural ocasionada pela adição de Si no alumínio, até uma composição hipereutética, sob solidificação unidirecional em regime transiente. Fica evidente

que o aumento do teor de silício é acompanhado por um crescimento da fração do eutético e as dendritas se tornam mais refinadas e ramificadas, até que cristais primários de Si se precipitam na composição hipereutética. Neste caso, sob solidificação unidirecional, a direção cristalográfica foi [100], e com o incremento de Si, a direção se manteve até a concentração eutética. Com 15% de Si, a orientação cristalográfica é aleatória, conforme Figura 2.15, no qual o mapa de cores indica o quanto o crescimento da microestrutura se desviou da direção preferencial. Para Okayasu e Takeuchi [Okayasu e Takeuchi, 2015], o Si da estrutura eutética possui um tamanho suficientemente pequeno para não interromper o crescimento da fase α- Al, e assim, uma estrutura cristalina uniforme é mantida. Na liga hipereutética, a precipitação dos grãos primários de Si antes da fase α-Al acaba se tornando uma barreira para o crescimento preferencial, ocasionando a orientação aleatória.

Figura 2.14: Diferença da microestrutura das ligas Al-Si, de acordo com a concentração de Si [adaptado de Okayasu e Takeuchi, 2015].

Figura 2.15: Diferença da orientação cristalográfica das ligas Al-Si, de acordo com a concentração de Si [adaptado de Okayasu e Takeuchi, 2015].

Ainda que não sejam previstos pelo diagrama de fases, cristais primários de silício podem ser encontrados em ligas hipoeutéticas e eutéticas [Tiedje et al., 2012; Liao et al., 2010]. A taxa de resfriamento aplicada durante a solidificação exerce influência sobre a quantidade e o tamanho dos cristais primários de Si, enquanto que a redistribuição de soluto é um importante mecanismo para explicar a formação. Como o átomo de Si tem facilidade em se segregar e formar aglomerados, quando a concentração de Si rejeitado pelo Al excede a concentração eutética, a fase primária de Si acaba se precipitando em conjunto com o α-Al [Wang et al., 2012].

Sendo o eutético a estrutura presente em todo sistema Al-Si, é natural buscar correlações entre a morfologia do Si no eutético e as propriedades mecânicas. Dentre os parâmetros térmicos, a velocidade de solidificação parece controlar o aspecto da fase Si, pois em baixos valores de v, o silício tem o formato de placas irregulares, i.e. flakes, passando por uma transição placas/fibras com o aumento de v, até ser totalmente fibroso em altas velocidades (Figura 2.16). Utilizando solidificação em forno tipo Bridgman, Hosch et al. [Hosch et al., 2009] estimaram que a transição ocorre gradualmente entre 100 a 950 μm/s. Além disso, o aumento de v diminui o espaçamento entre as partículas de Si (λSi), resultando

em propriedades mecânicas melhores [Kaya et al., 2003]. Em comparação com as fibras, o espaçamento entre as placas é maior, logo, são encontradas maior dureza e resistência à tração para o material com morfologia fibrosa. [Hosch e Napolitano, 2010; Khan et al., 1993].

Figura 2.16: Mudança de morfologia das partículas de Si de acordo com a velocidade de solidificação [Hosch e Napolitano, 2010].

Nas ligas hipoeutéticas, o espaçamento entre os braços dendríticos pode ser preponderante em relação ao λSi, exercendo maior influência nas propriedades mecânicas.

Trabalhando na composição de 3 e 5% de Si, Cruz et al. [Cruz et al., 2010] constataram que o limite de resistência a tração, tensão de escoamento e alongamento específico aumentaram com a diminuição do espaçamento dendrítico primário. Resultado semelhante foi encontrado

por Goulart et al. [Goulart et al., 2006] para composições de 5 e 9 % de Si, relacionando o aumento do LRT com o decréscimo no espaçamento dendrítico secundário. Como o espaçamento entre os braços dendríticos reduz com o aumento da taxa de resfriamento ou da velocidade de solidificação [Kaya et al., 2007; Peres et al., 2004], propriedades específicas podem ser alcançadas via o ajuste dos parâmetros térmicos de solidificação.

Visto que as propriedades mecânicas são dependentes da morfologia e do espaçamento microestrutural, e estes estão limitados pelos parâmetros térmicos, a adição de um elemento refinador é uma alternativa para aprimorar as propriedades. Na forma de modificadores químicos, sódio, estrôncio e antimônio são adicionados na liga para tornar as partículas de Si mais finas ou fibrosas, diminuir o espaçamento dendrítico, e além de reduzir ou inibir a nucleação dos cristais primários de Si [Boontein et al., 2011; Haque e Ismail, 2005; Lu et al., 2005; Fatahalla et al., 1999]. Dessa forma, a combinação de altas taxas de solidificação e adição de refinador permite obter materiais com excelente comportamento mecânico.

Em especial, Reyes et al. [Reyes et al., 2016] encontraram uma particularidade na liga hipereutética Al-15%Si, relacionada ao superaquecimento (ΔTV) aplicado na

solidificação unidirecional sob condições de regime transiente. Para uma mesma taxa de resfriamento, a liga solidificada com ΔTV = 163 K apresentou a estrutura eutética em torno de

cristais de Si primário, enquanto que a microestrutura da liga com ΔTV = 53 K era composta

por halos dendríticos de Al envolvendo cristais primários de Si (Figura 2.17). Para os autores, a redução do ΔTV induz um menor gradiente térmico, levando a um aumento de v,

suficientemente maior que a velocidade crítica proposta para a formação dos halos [Yilmaz e Elliot, 1984]. A formação de halos influenciou nas propriedades mecânicas de forma favorável, melhorando tanto o limite de resistência à tração quanto o alongamento específico.

Figura 2.17: Microestrutura da liga Al-15%Si, sob Ṫ = 9,5 K/s, solidificadas com a) ΔT = 53 K e b) ΔT = 163 K [Reyes et al., 2016].

Em suma, para as ligas Al-Si as propriedades mecânicas são dependentes da morfologia, tamanho e distribuição do silício, e para composições hipoeutéticas, o espaçamento dendrítico também exerce influência.