Ligas ternárias à base de Al

A literatura é extremamente escassa em estudos experimentais de solidificação transitória de ligas ternárias à base de Al. Ao contrário do que se verifica para ligas binárias, há apenas um modelo teórico na literatura que relaciona espaçamento dendrítico secundário com tempos locais de solidificação para ligas ternárias. Não existe nenhum modelo teórico referente a crescimento de ramificações dendríticas primárias. Rappaz e Boettinger (1999), propuseram um modelo teórico para crescimento dendrítico secundário em regime estacionário de extração de calor, para uma liga ternária Al 1%Mg 1%Si e posteriormente Easton et al (2010) o utilizaram para outras ligas de alumínio multicomponentes. Esse modelo relaciona o espaçamento dendrítico secundário (λ2) com o tempo local de solidificação (tSL):

2 = 5.5(MtSL)1/3 (2.13)

onde tSL é o tempo local de solidificação e M é dado por:

M =_∑ −Γ mL,j(1−kj)(Cf,j−C0,j) D⁄ l,j n j=1 ln [ ∑nj=1mL,j(1−kj)Cf,j⁄Dl,j ∑nj=1mL,j(1−kj)C0,j⁄Dl,j] (2.14)

onde Γ é o coeficiente de Gibbs-Thomson, m é a inclinação da linha liquidus, cf é a composição final do

coeficiente de difusão no líquido, k é coeficiente de redistribuição de soluto. O subscrito “j” representa cada elemento de liga e a soma inclui todos os elementos solutos presentes na liga multicomponente.

Embora Rappaz e Boettinger (1999) e Easton et al (2010) tenham feito algumas comparações com experimentos para validações preliminares, esse modelo ainda carece de uma validação mais aprofundada para que sua aplicabilidade possa efetivamente ser avaliada. Em trabalho recente, Costa et

al. (2015) investigaram as previsões teóricas desse modelo com resultados experimentais de uma liga

Al-6%Cu-%4Si solidificada unidirecionalmente tanto em condições horizontais quanto vertical ascendente. Os resultados estão mostrados na Figura 2.17, onde se pode notar que as previsões teóricas do modelo superestimam o espectro de resultados experimentais em ambos os casos. Isso evidencia ainda mais a necessidade de se dispor de leis experimentais de crescimento, até que se consiga o desenvolvimento de modelos teóricos de crescimento dendrítico confiáveis para aplicação a ligas multicomponentes, o que poderia comprometer o desempenho dos produtos acabados em campo.

100 101 102 103 10-1 100 101 102 103 solidificaçao horizontal solidificaçao vertical modelo de Rappaz-Boettinger e s p a ç a m e n to d e n d ri ti c o s e c u n d a ri o ,  2 (  m )

tempo local de solidificação, tSL (s)

Al-6%Cu-4%Si

Figura 2.17 – Comparação entre os espaçamentos dendríticos secundários experimentais e teóricos para liga Al-6%Cu-4%Si. (Costa, 2015)

Moutinho (2012) desenvolveu uma equação experimental para crescimento dendrítico em ligas ternárias, Al 6%Cu 1%Si e Al 6%Cu 4%Si, para solidificação direcional ascendente em regime

transitório de extração de calor, no qual estabeleceu uma única equação de crescimento dendrítico primário, mostrada na Equação (2.15) a seguir:

𝜆₁ = 𝐶(Ṫ)−0,55 (2.15) onde a constante C obtida foi 153.

Para ligas Al-Cu-Si, pode-se observar que o expoente (a = -0,55) da equação de crescimento dendrítico primário permanece o mesmo das ligas binárias Al-Cu e Al-Si, porém o valor de C diminuiu para 153, o que leva a conclusão de que apesar de mostrar similaridade na forma e no valor do expoente para ligas binarias Al-Cu, a adição do Si na liga Al-Cu provoca uma redução significativa nos espaçamentos dendríticos primários.

As ligas Al-Sn têm sido utilizadas na produção de mancais de escorregamento auto lubrificantes devido as suas excelentes propriedades físicas e mecânicas. O Sn é um elemento de grande importância no emprego em mancais devido sua excelente característica antiaderente, minimizando o desgaste através de seu efeito auto lubrificante. Os avanços tecnológicos, principalmente no desenvolvimento de motores de alto desempenho na indústria automotiva, impõem cada vez mais altas rotações, maiores cargas e altas temperaturas de trabalho. Essas condições requerem a adição de terceiros elementos às ligas Al-Sn, como por exemplo, o Cu, que visa proporcionar reforço microestrutural e nas propriedades tribológicas, bem como elevar a resistência à fadiga do material e reduzir a probabilidade de ocorrência de falhas.

As ligas Al-Sn têm uma ampla miscibilidade no estado líquido e são praticamente insolúveis durante a solidificação. Embora haja poucos estudos a respeito, a literatura atual mostra que as ligas dos sistemas ternários Al-Sn-Cu tem um grande potencial para aplicações tribológicas, face ao reforço na matriz rica em alumínio, pela presença do cobre e pelo fato do estanho atuar como um lubrificante sólido. Ao se adicionar o Cu à liga Al-Sn, o diagrama de fases do sistema com três componentes apresenta quatro variáveis que são a temperatura e a composição dos respectivos componentes, de modo que para serem analisados mais detalhadamente, se faz necessário a utilização de figuras tridimensionais. Porém, por uma questão de conveniência, é possível transformar este sistema em um sistema bidimensional com três variáveis e o emprego de um diagrama pseudo-binário, no qual a concentração de um dos componentes é mantida constante e a dos demais sofrem alterações, comportando-se como em um sistema binário, conforme mostra a Figura (2.18).

O primeiro trabalho avaliado sobre sistemas de ligas ternárias foi elaborado por Sato (1944) e publicado posteriormente por Watanabe (1981), com o estudo de diversas amostras preparadas a partir de elementos puros, com o acompanhamento das curvas de resfriamento para análise térmica e microestrutural.

Hosoi et al. (1952), investigaram o sistema ternário completo através de análise térmica convencional em amostras solidificadas com resfriamento ao ar, além de microscopia ótica, relatando as variações da temperatura liquidus e o grande intervalo de imiscibilidade para amostras com mais de 15% de estanho.

Segundo Tomasz (1997), de todas as ligas disponíveis, as ligas de alumínio são as que possuem a melhor combinação de características ideais para aplicação em mancais de escorregamento quando comparadas com outro material, enfatizando que as ligas convencionais, principalmente à base de chumbo, vêm sendo cada vez mais substituídas pelas ligas de alumínio, principalmente na indústria automotiva. Em seu artigo, apresenta as questões relativas aos aspectos metalúrgicos na produção das ligas de alumínio-estanho, tais como problemas metalúrgicos básicos na obtenção das ligas Al-Sn com o estanho distribuído uniformemente por todo o seu volume.

Mirkovic, (2008) enfatizou que as ligas de alumínio do sistema monotético são de grande interesse para o desenvolvimento de novas ligas para aplicações tecnológicas, tais como mancais de deslizamento. Segundo ele, o comportamento do desgaste de algumas ligas de alumínio-estanho a base de cobre tem sido comparado com o das ligas de Al-Pb-Cu, sendo que as ligas ternárias Al-Sn-Cu oferecem uma abordagem diferente, uma vez que nenhum dos subsistemas binários mostra separação de líquido. O sistema Al-Sn mostra apenas uma tendência de separação com um gap de miscibilidade no líquido metaestável, sendo que após a adição do terceiro componente, o Cu, uma separação de líquido pronunciada ocorre, formando uma lacuna de miscibilidade isolada no sistema ternário.

De acordo com Kotadia et al (2009), as ligas ternárias à base de Al-Sn-Cu foram utilizadas durante muitos anos para aplicações de engenharia, destacando seu potencial para a produção de mancais de deslizamento, principalmente por apresentarem excelentes propriedades mecânicas, físicas e tribológicas. Lembram que o Sn é um componente importante nas aplicações em mancais, devido a suas excelentes características deslizantes, baixo teor de ferro, baixa resistência ao atrito, que fornece propriedades de superfície adequadas. Por outro lado, o Cu tem sido tradicionalmente adicionado a estas ligas para fornecer resistência ao desgaste e reforço mecânico em mancais à base de alumínio, melhorando a sua resistência à fadiga. Assim, a combinação destes dois elementos propicia uma

superfície dúctil, produzindo ligas resistentes e apropriadas para suportar as condições severas encontradas nos mancais de deslizamento. Ainda segundo Kotadia et al (2011), as ligas Al-Sn-Cu têm excelentes propriedades mecânicas e tribológicas, mas a geração da microestrutura necessária durante o processo de solidificação apresenta dificuldades técnicas inerentes devido à limitada solubilidade dos componentes no estado líquido. Os autores ressaltam que a propriedade final dos componentes produzidos a partir dessas ligas é determinada pela sua microestrutura, que, por sua vez, é largamente determinada pelos fenômenos complexos que ocorrem quando o líquido homogêneo é resfriado.

Pola et al. (2013) avaliaram as vantagens da utilização das ligas Al-Sn no tocante a resistência ao desgaste nos mancais de deslizamento. No estudo, as amostras foram produzidas com técnica de agitação por ultrassom, para induzirmicroestruturasrefinadas, e foram avaliados os efeitos damicroestrutura no tocante à resistência ao desgaste. Os testes por ensaios de desgaste pino-disco revelaram que o valor médio do coeficiente de atrito nas condições de estado estacionário é quase o mesmo para as amostras produzidas com ultrassom e sem ultrassom. Porém as amostras semissólidas alcançaram a condição de desgaste com estado estacionário muito mais cedo. O principal mecanismo de dano foi o desgaste abrasivo e tribo-oxidativo para ambos os casos, mas a análise das faixas desgastadas permitiu demonstrar o perfil diferente de desgaste do material produzido semissólido. Em particular, a profundidade máxima e as áreas das pistas são menores para o caso de peças fundidas por ultrassom. Bem como a taxa de desgaste, confirmando a tendência de melhoria no comportamento ao desgaste da liga semissólida.

Recentemente, Bertelli et al. (2015) realizaram experimentos com ligas de sistemas ternários Al- Sn-Cu e Al-Sn-Si com o objetivo de analisar a evolução microestrutural destas ligas, sob uma vasta gama de taxas de resfriamento durante a solidificação, correlacionando parâmetros microestruturais com velocidade de solidificação e taxas de resfriamento, a fim de estabelecer equações experimentais de crescimento dendrítico. Destacam também que na seleção das ligas para aplicações tribológicas, deve- se levar em conta, além da composição química, suas características microestruturais. Neste estudo, os autores analisam o processo de solidificação de duas composições de estanho (Al-10%Sn-10%Cu e Al- 20%Sn-10%Cu), observando uma morfologia dendrítica da matriz das microestruturas dessas ligas obtidas em condições transitórias de solidificação, com presença de bolsões de Sn e de partículas de intermetálico Al2Cu nas regiões interdendríticas, microestrutura essaqueprevaleceu ao longo de todo o

lingote. Na Figura 2.18 é apresentado um diagrama de fases pseudo-binário parcial da liga Al-10%Cu- Sn deste estudo.