A seqüência de tratamento do banho de alumínio líquido é a seguinte: Fornos de Espera
• Adicionar sal escorificante.
• Limpar superfície do banho com movimentos suaves. • Adicionar modificador: Estrôncio ou Sódio.
• Passar rotor desgaseificador.
• Limpar superfície do banho com movimentos suaves. • Medir temperatura e liberar.
A função do escorificante é de remover todas as impurezas e óxidos da superfície do banho. A escória deve ser retirada da superfície do banho com auxilio da escumadeira com movimento suave para não contaminar o banho.
Influência dos Principais Componentes de Liga Al Si: Silício
• Ligas com teor de silício de 5 a 9% apresentam baixa fluidez, ou seja, elevada viscosidade, dificultando preenchimento das peças. Ao mesmo tempo, estas ligas apresentam solidificação pastosa, com tendência à formação de microporosidade;
• Ligas com teor de silício 10 a 12,5% apresentam alta fluidez, ou seja, facilitando preenchimento das peças. Estas ligas apresentam baixa tendência à formação de microporosidades e elevada tendência a rechupe. Cobre
• Melhorar usinabilidade das ligas, como por exemplo, as ligas AlSi8 e AlSi9 e no caso de ligas para injetado maior capacidade de compactação na terceira fase.
Ferro
• Fragilizante das ligas de alumínio, ou seja, diminui as propriedades mecânicas do material tornando o frágil. Por outro lado, em fundição sob pressão, evita os problemas de solda e colamento da peça à matriz.
Magnésio
• Ajuda a melhorar as propriedades mecânicas após tratamento térmico, aumenta a resistência à corrosão e melhora a usinabilidade.
Manganês
• Diminui o efeito fragilizante causado pelo ferro, porém, somente se estiver na proporção de 1:2, ou seja, a cada 1% de Ferro deverá conter na liga no mínimo 0,50 % de Manganês.
Titânio
• Refinador de grão (alumínio), melhorando as propriedades mecânicas e as condições de alimentação de peças fundidas, reduzindo a tendência de trincas a quente.
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A microestrutura final de uma liga fundida é muito importante, pois influencia suas propriedades mecânicas. Grãos colunares grandes, ou seja, dendritas alongadas são indesejáveis e o refino de grão tem por objetivo suprimir a formação destes grãos. O refinador de grão é usualmente adicionado via ligas “mestres” e introduz muitas partículas, que agem como substratos para nucleação do alumínio primário (Al α). Quando o refinamento de grão é bem sucedido, finos grãos equiaxiais de Al α, ou seja, dendritas pouco alongadas são formadas, o tamanho médio de grão diminui o que conduz a uma melhoria da fundibilidade e das propriedades mecânicas (PIO et al, 2005).
O refino de grão é considerado um dos processos mais importantes de tratamento das ligas alumínio silício para fundição. A adição de refinadores de grão para melhorar as propriedades mecânicas das ligas fundidas é relativamente bem disseminada na indústria do alumínio. O refino de grão de ligas de alumínio é responsável por um grande número de vantagens técnicas e econômicas, tais como: redução de trincamento no lingote, melhor homogeneidade do lingote, redução da suscetibilidade ao trincamento a quente e melhoria significante das propriedades mecânicas. Os principais elementos refinadores de grão utilizados atualmente em ligas de alumínio são: titânio, boro e estrôncio (SRITHARAN, 1997; McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004).
Dentre as propriedades mecânicas que são melhoradas com a adição de refinadores destaca se o aumento da resistência e da estabilidade dimensional do fundido. A estrutura refinada promoverá uma melhor distribuição das fases intermetálicas na liga final, melhorando a aparência da superfície e a trabalhabilidade da peça. O refinamento pode ajudar também na dispersão da porosidade “shrinkage” durante a solidificação, ou seja, o volume de poros continua inalterado, porém apesar de estarem em maior número, eles se tornam menores e mais homogeneamente distribuídos. Com o aumento da fluidez, a velocidade de vazamento pode ser aumentada, devido a melhoria de alimentação do metal, que é um grande vantagem operacional, porque é possível se obter uma produção mais rápida e ainda prevenindo a ocorrência de trincas a quente.
O tamanho de grão das ligas de alumínio fundidas depende da quantidade de núcleos de grãos no líquido e da velocidade de solidificação da liga. Assim, a diminuição do tamanho de grão (refino de grão) nestas ligas só é possível com o aumento do número de núcleos no líquido ou com o aumento da velocidade de resfriamento. No caso de peças
resfriadas lentamente (molde de areia) ou peças de grandes dimensões, o refino de grão é realizado com a adição de pós à base de Al Ti (de 3 a 10% de Ti) ou Al Ti B (de 3 a 10% de Ti e 0,2 a 1% de B) na liga líquida.
Existem dois tipos distintos de partículas observadas na microestrutura do TiBAl: partículas de TiB2 – núcleos refinadores de grão, tipicamente de 1 2 m de tamanho,
que não dissolvem no alumínio líquido; e placas de TiAl3 maiores do que as de TiB2
(normalmente 30 50 m de tamanho) que dissolvem rapidamente no alumínio líquido. Ambos os tipos de partículas desempenham um papel essencial no processo de refino de grão. A adição destes refinadores provoca a formação de partículas sólidas dispersas de Al3Ti que
atuam como núcleos para os primeiros grãos decorrentes da solidificação. As partículas de Al3Ti dissolvem rapidamente fornecendo o Ti dissolvido que ajuda a limitar o crescimento
após a nucleação. As partículas de TiB2permanecem estáveis na fusão e fornecem locais para
a nucleação heterogênea.
Segundo Schaffer, Arnberg e Dahle (2006), o Al Si eutético é fortemente influenciado pelas partículas TiB2 segregadas que fornecem além do refino da fase α, uma
modificação similar do eutético àquela observada após adições de Na ou Sr. A modificação é um resultado da interação entre as partículas TiB2e o Si eutético e a uma segregação extrema
destas partículas nos contornos eutético da fase Al Si, onde eles obstruem a redistribuição do soluto e refinam o Si eutético. Este fenômeno é provavelmente associado com a extensiva compressão das partículas do substrato durante o crescimento do eutético. Ainda não foi comprovado se a modificação eutético por adições da partícula de TiB2é uma alternativa real
ao modificadores de Sr e Na (que tem alguns efeitos negativos tais como a formação aumentada da porosidade) e será necessário mais pesquisa sobre este mecanismo de modificação da partícula e sobre a densidade crítica da partícula. Segundo Martorano e Hallak (2009), as partículas de TiB2 não realizam o refino de grão na ausência de Ti livre. O
mecanismo que provavelmente ocorre é o da teoria da nucleação duplex, na qual se explica que o Ti dissolvido tende a se concentrar na superfície das partículas de TiB2.
O refino de grão tem como objetivo principal reduzir os tamanhos das dendritas (grão da fase α pró eutética), melhorando as condições de alimentação (e assim, a sanidade e estanqueidade das peças fundidas), as propriedades mecânicas (limites de escoamento e de resistência), bem como a tendência a formação de trincas à quente. O máximo efeito refinador é alcançado após 5 a 10 minutos da adição dos banhos. Seu efeito não é permanente, observando se uma redução na intensidade do refino a partir de 45 minutos
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após a sua adição, sendo necessárias readições ou agitações para reativar as condições metalúrgicas do banho. As adições típicas são de 0,05 a 0,15% de titânio para ligas com relação Ti:B de 3:1 a 5:1 (MALAVAZI, 2008).
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A grande maioria dos componentes fundidos em ligas de alumínio emprega ligas do sistema Al Si. A microestrutura bruta de fundição destas ligas apresenta partículas de Si com morfologia acicular, que diminui a ductilidade destas. A modificação consiste em um tratamento do banho de alumínio silício pela adição de agentes modificadores da morfologia das partículas de Si. Os agentes modificadores mais empregados são: o Na (Sódio), o Sr (estrôncio) e o Sb (antimônio). Adições destes elementos (entre 0,005 e 0,02% em peso) promovem fortes alterações no crescimento da fase β (silício) do eutético: a fase β passa a exibir uma morfologia mais refinada, aumentando a ductilidade das ligas Al Si fundidas.
O grau de modificação obtido por estes tratamentos é função da velocidade de resfriamento e da reação entre o teor do elemento modificador e o teor de fósforo residual da liga. Independente do tratamento de modificação, elevadas velocidades de resfriamento, como as obtidas em moldes metálicos, contribuem para refinar o tamanho dos grãos e a estrutura do próprio eutético. A modificação com estrôncio é realizada por meio da adição de estrôncio (Sr) metálico ou na forma da anteliga Al Sr. Normalmente as adições são da ordem de 0,01% de Sr e exige se um tempo de incubação de cerca de 15 minutos para banhos com pouca agitação. A modificação com sódio é feita por meio de adições de sódio (Na) metálico ou de fluxos contendo este elemento. O sódio é um modificador mais eficiente que o estrôncio, promovendo melhores graus de modificação. Entretanto, devido à sua maior tendência à vaporização, o seu efeito modificador perde se com mais rapidez que o Sr. Em banhos modificados com Na, o efeito modificador permanece por cerca de 30 minutos. No caso de Sr o efeito permanece por mais de 2 horas. Outro ponto negativo do Na é o ataque aos cadinhos de fusão. (MOREIRA; FUOKO, 2007).
Os elementos sódio e estrôncio são compatíveis entre si, não havendo problemas devido à contaminação de retornos de sucatas sendo possível a utilização simultânea de ambos. Uma alternativa ao tratamento de modificação com sódio ou estrôncio é o tratamento com antimônio, no qual a morfologia da fase β é mantida como lamelar, sofrendo apenas um refino. Estas ligas no estado bruto de fundição apresentam propriedades
intermediárias entre as ligas não modificadas e modificadas, sendo necessário tratamento térmico para alcançarem propriedades equivalentes às ligas modificadas com os demais modificadores. As principais vantagens do tratamento com antimônio é o menor custo e o caráter permanente de refino do banho, não se perdendo com o tempo ou mesmo com refusões. Porém, existem algumas desvantagens, o antimônio não é compatível com modificadores convencionais (Na e Sr), interagindo negativamente com estes. O máximo grau de refino só é atingido para altas velocidades de resfriamento e como não há alteração na morfologia do silício, a máxima ductibilidade só é alcançada após tratamento térmico em altas temperaturas, durante os quais as lamelas de silício se quebram e segue se um processo de esferoidização das partículas. Outro elemento modificador é o cálcio, porém tem pouca aplicação comercial (MALAVAZI, 2008). As micrografias 2a b mostram a microestrutura da liga A356 não modificada, solidificada em areia. A microestrutura é formada basicamente por dendritas de α Al (fase clara) e por um eutético binário Al Si entre os ramos dendríticos contendo Si acicular (fase escura).
O eutético, do tipo facetado/não facetado, ocorre por não apresentar arranjo ordenado das fases e por elas geralmente exibirem diferentes taxas de crescimento. Essa estrutura irregular está relacionada com fatores como a grande diferença entre os pontos de fusão entre o Al e o Si e a diferença na proporção relativa de tais constituintes (88,5% da fase α Al e 11,5% de Si) e a diferença na entropia de fusão de ambos (1,35 para Al e 7,15 J.mol
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K1 para Si) (FISHER; KURZ, 1980). Em razão da elevada entropia de fusão da fase facetada, o Si nucleia e cresce antes que o Al inicie a solidificação no eutético. Esse crescimento ocorre de forma anisotrópica pela formação de maclas entre os planos {111}. Tais planos de maclação se alinham paralelamente à direção <211>, que é a direção preferencial de crescimento (CHADWICK, 1972; MAGNIM; MASON; TRIVEDI, 1991).
Micrografia 2: a) Microestrutura da liga não modificada, correspondente à solidificação em