Uma importante propriedade do alumínio é a possibilidade de se combinar com a maior parte dos metais de engenharia, elementos de liga, levando à produção de diversas ligas, permitindo assim, a obtenção de características tecnológicas apropriadas de acordo com a aplicação do produto final. Naturalmente, uma só liga não pode combinar todas as propriedades ótimas para cada aplicação, sendo por isso necessário conhecer as vantagens e limitações de cada uma delas para que se possa fazer a melhor seleção.
As ligas de alumínio podem ser classificadas de acordo com o seu modo de processamento, resultando em dois grandes grupos:
Ligas conformadas ou trabalhadas (Wrought Aluminum Alloys); Ligas de fundição (Casting Aluminum Alloys);
As ligas de alumínio conformadas ou ligas trabalhadas são ligas que inicialmente se encontram sobre a forma de lingotes ou tarugos e posteriormente são conformadas plasticamente, a quente ou a frio, por processos como a extrusão, laminagem ou forjamento [6].
Tabela 1 - Nomenclatura das ligas de alumínio trabalháveis (AA) [6].
Série Elemento 1xxx Alumínio 99% 2xxx Cobre 3xxx Manganês 4xxx Silício 5xxx Magnésio 6xxx Magnésio e Silício 7xxx Zinco 8xxx Outros elementos 9xxx Não usado
A nomenclatura das ligas trabalhadas, segundo a Aluminum Association (AA), é especificada na Tabela 1, por um sistema de designação de quatro dígitos numéricos, sendo que o primeiro dígito indica o principal elemento de liga, o segundo indica modificações na liga original ou os limites de impurezas e os dois últimos indicam o grau de pureza da liga de alumínio.
A principal diferença entre as ligas para conformação plástica face às ligas de fundição, prende-se com a percentagem de silício, devido à necessidade de colabilidade do material. As ligas de alumínio para obtenção de produtos fundidos são das mais versáteis de todas as ligas de fundição, devido essencialmente aos seguintes fatores [6-8]:
Boa colabilidade, o que permite o preenchimento de secções de reduzida espessura;
Ponto de fusão baixo relativamente ao necessário para outros metais;
Rápida transferência de calor da peça para a moldação, o que permite ciclos relativamente curtos;
O hidrogénio é o único gás que apresenta elevada solubilidade nas ligas fundidas e poderá ser controlado durante o processo;
Muitas ligas não apresentam os problemas de fissuração a quente;
Normalmente não apresentam interações com a cavidade da moldação pelo que se obtêm peças com elevada qualidade superficial.
Desta forma, a composição química das ligas de fundição é diferente das ligas para trabalho mecânico, anteriormente referidas e são classificadas, segundo a Aluminum association [6], por quatro dígitos sendo um deles decimal, Tabela 2. O primeiro dígito indica o grupo de elementos de liga (presentes em maior percentagem), o segundo e terceiro diferenciam as ligas da mesma série, o quarto dígito (decimal) indica a forma do produto:
0 - Indica peças fundidas; 1 - Indica forma de lingote;
Tabela 2 - Classificação das ligas de alumínio segundo designação Aluminium Association [6].
Série Elemento
1xx.x Alumínio 99%
2xx.x Cobre
3xx.x Silício e pode conter Cobre e/ou Magnésio 4xx.x Silício 5xx.x Magnésio 6xx.x Não usado 7xx.x Zinco 8xx.x Estanho 9xx.x Não usado
Tal como se pode verificar na Tabela 3, as ligas de alumínio-silício, série 3xx (AA) e ainda as ligas de alumínio-silício-cobre e/ou magnésio, série 4xx.x (AA), são as mais usadas na produção de componentes por fundição para aplicações na industria automóvel e aeronáutica.
Tabela 3 -Ligas comuns em fundição, designações e aplicações [6, 8, 9].
AA Iso Aplicações
A319 AlSi5Cu3 Engenharia em geral, cabeças de cilindros, caixas de velocidades.
A308 AlSi6Cu4 Caixas de velocidades, ferramentas elétricas equipamento de escritório.
A356 AlSi7Mg Componentes de bombas para aviões, instalações de energia nuclear, jantes.
A380 AlSi8Cu3 Fundição injetada, blocos de motor.
A332 AlSi9Cu3Mg
Aplicações onde elevada resistência a altas
temperaturas e com baixo coeficiente de expansão térmica, como por exemplo pistões de motores. A360 AlSi10Mg Fundição injetada, diversos componentes. A384 AlSi10Cu2Fe Fundição injetada, diversos componentes.
A390 AlSi17Cu4Mg Blocos de motor em fundição injetada, bombas com elevada resistência a abrasão e polias.
A413 AlSi12 Blocos de motor, equipamento químico, carcaças de instrumentos.
2.1.1 Elementos de Liga
As propriedades das ligas de alumínio dependem certamente dos elementos presentes na composição química. Complexas iterações entre a composição química e as características microestruturais, decorrentes da solidificação e/ou possíveis tratamentos térmicos, conduzem a diferentes propriedades entre as diversas ligas.
Por um lado, é importante salientar, que alguns elementos químicos são adicionados à liga com o objetivo de promover uma melhoria significativa das suas propriedades, por outro lado outros elementos, sempre presentes em todas as ligas, são tratadas como impurezas. Neste caso, o seu teor máximo terá de ser controlado, para que não se tornem prejudiciais às propriedades finais.
No presente capítulo apenas são abordados os elementos de liga mais comuns na liga AlSi9Cu3que é objeto de estudo na presente dissertação.
2.1.1.1 Silício
O Silício (Si) é talvez o elemento de liga mais usado nas ligas de alumínio de fundição. Tal, deve-se ao facto de o Silício baixar consideravelmente o coeficiente de dilatação e contração na solidificação, que conjuntamente com as propriedades mecânicas que estas ligas Al-Si, próximas do ponto eutéctico apresentam, proporcionam uma boa colabilidade, baixa tendência a microrrechupes e fissuração, permitindo a obtenção de produtos fundidos de elevada qualidade [6-8, 10, 11].
Tipicamente, o teor de Silício varia consoante o processo de fundição utilizado. Para fundição em areia são, tipicamente, usados valores entre 5-7%, para fundição em moldações permanentes entre 7-9% e para fundição injetada entre 8-12% [6, 8].
Considerando o diagrama de fase binário Al-Si (Figura 1), verifica-se que dependendo do teor de silício as ligas podem ser classificadas em ligas hipoeutéticas (Si<12%), ligas eutéticas (12-13% Si) e ligas hipereutéticas (Si>13%) [6, 12].
2.1.1.2 Cobre
A adição de Cobre (Cu) traduz-se num aumento da resistência mecânica e dureza da liga, devido ao endurecimento estrutural, quer a baixas, quer a elevadas temperaturas. Contudo, o Cobre normalmente reduz a resistência à corrosão e a ductilidade da liga. Diminui ainda a resistência à fissuração a quente e potencia porosidade interdendrítica.
Quando combinado com o Silício dando origem a ligas Alumínio-Silício-Cobre, estas são largamente utilizadas pela indústria de fundição, uma vez que, por um lado, a presença de Cobre melhora a resistência mecânica e possibilita uma melhoria na maquinagem e por outro lado, o Silício proporciona um aumento da colabilidade e reduz a contração na solidificação [6, 8].
2.1.1.3 Ferro
O Ferro (Fe) está sempre presente em todas as ligas de Alumínio, sendo considerado uma impureza, que influencia drasticamente as propriedades mecânicas da liga. A solubilidade do Ferro no Alumínio é muito reduzida, tal acarreta como consequência a formação de diversas fases intermetálicas, tanto com o Alumínio, como com outros elementos presentes na liga. Tipicamente, estas fases apresentam três diferentes morfologias: cristais aciculares, "escrita chinesa" ou poliédrica.
Estas fases intermetálicas são normalmente do tipo FeAl3, FeMnAl6 e αAlFeSi, sendo esta última a tipicamente formada em ligas Al-Si, e ainda fases mais complexas do tipo Alx(Fe,Mn,Cr)ySiz, ver Figura 5, Secção 2.2.1. Estas fases, insolúveis, são responsáveis pelo aumento das tensões de rotura, especialmente a elevadas temperaturas, porém provocam também uma fragilização da microestrutura. À medida que a fração destas fases intermetálicas aumenta, devido a teores elevados de ferro, são suscetíveis problemas em termos de alimentação e excesso de porosidade nos produtos fundidos [6, 8, 10, 13].
2.1.1.4 Magnésio
A presença de Magnésio (Mg) nas ligas de Alumínio permite um aumento da resistência mecânica após tratamento térmico uma vez que, o Mg combina-se com o Si formando um composto de endurecimento por envelhecimento, Mg2Si. Porém, o limite útil de solubilidade corresponde a aproximadamente 0.70% de Mg, pelo que as composições das ligas são normalmente controladas para que o teor de Magnésio se situe entre 0.40 a 0.70% em ligas de Al-Si de elevada resistência [6, 7].
2.1.1.5 Outros elementos de liga
Elementos químicos tais como o Crómio (Cr) e o Manganês (Mn) alteram a morfologia das fases intermetálicas ricas em Ferro, como anteriormente visto, permitindo a melhoria das propriedades mecânicas das ligas.
Com o mesmo objetivo, mas referente ao Silício, elementos como o Sódio (Na) e o Estrôncio (Sr) modificam a morfologia do eutético Al-Si, exercendo uma enorme influência nas propriedades mecânicas, visto que estas são mais dependentes da morfologia deste, do que da sua percentagem.
O Titânio (Ti) e Boro (B) atuam como afinadores de grão primário de α , podendo resultar numa diminuição de porosidade no material [6, 8, 11].