A INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E DA TAXA DE RESFRIAMENTO
NA MICROESTRUTURA DA LIGA Al-Si A380
G.S. Pereira, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, W.J. Botta Filho
Universidade Federal de São Carlos - Departamento de Engenharia de Materiais
Rodovia Washington Luiz, km 235, São Carlos/SP. CEP: 13565-905. e- mail: cbolfa@power.ufscar.br
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo a análise da influência da taxa de resfriamento e da adição de magnésio, sódio e titânio na microestrutura da liga alumínio-silício hipoeutética A380.
As amostras foram fundidas em forno de indução, desgaseificadas com hexacloroetano e vazadas em moldes metálicos na forma de cunha para obtenção de diferentes taxas de resfriamento. Os históricos térmicos das amostras foram acompanhados através de um sistema de aquisição de dados acoplado a termopares inseridos nas mesmas.
A caracterização metalográfica, através de microscopia ótica, foi efetuada em amostras retiradas de regiões que continham monitoramento de temperatura. A porosidade e a fase α-AlFeSi foram quantificadas através do método da contagem de pontos enquanto a fase β-AlFeSi teve seu comprimento médio determinado com a utilização do softwareImage-Pro Plus.
O aumento da taxa de resfriamento proporcionou uma diminuição da porosidade e do comprimento médio da fase β-AlFeSi. A adição de magnésio acima do teor especificado pela “Aluminium Association” não ocasionou o aumento da porosidade como indicado pela literatura especializada.
PALAVRAS-CHAVES: Fundição, liga A380, microestrutura, magnésio. INTRODUÇÃO
Na tecnologia atual, as ligas de alumínio são utilizadas nas mais diversas aplicações, desde a fuselagem de aviões e peças de automóveis à utensílios domésticos e peças decorativas. Esse crescente campo de aplicação teve in icio no final do século XIX, quando o alumínio foi conhecido como metal através da redução da alumina. Uma das características que possibilita esse leque de aplicações do alumínio é sua versatilidade, pois suas propriedades podem ser ajustadas em uma larga faixa de valores, dependendo dos elementos de liga e dos tratamentos térmicos utilizados (1).
As ligas de alumínio, quando comparadas a outras ligas, adequam-se bem ao processo de fundição, pois possuem propriedades importantes como ótima fluidez, baixo ponto de fusão, baixa solubilidade para gases (com exceção do hidrogênio), são quimicamente estáveis e possuem uma ótima aparência (2). Um exemplo dessas ligas é a Al-Si A380, cuja composição química está ilustrada na tabela I, que possui uma enorme importância por ser reciclada e permitir em sua composição uma variação grande nos teores permissíveis de elementos de liga e de impurezas. Na tabela I, assim como em todo o trabalho, os valores são indicados em massas percentuais.
Tabela I: Composição química da liga A380 utilizada em fundição(2).
Al Si Cu Fe Mg Mn Zn Ni Sn Outros
Balanço 7,5 a 9,5 3,0 a 4,0 < 1,3 < 0,1 < 0,5 < 3,0 < 0,5 < 0,35 < 0,5 O setor automobilístico vem aumentando o consumo dessas ligas como substituto principalmente, de ferros fundidos e aços, otimizando o desempenho dos veículos e diminuindo o consumo de combustível. A indústria aeronáutica também é uma grande consumidora das ligas de
alumínio, sendo responsável por grande parte das pesquisas nesta área (3).
Um grande problema das ligas de alumínio utilizadas em engenharia é a presença de fases intermetálicas ricas em ferro, que são extremamente fragilizantes e indissolúveis através de tratamentos térmicos. Os principais fatores que influenciam na formação desses intermetálicos são: composição química da liga, adição de modificadores e taxa de resfriamento empregada (4).
O tamanho e a forma dessas fases podem ser controladas pela redução do teor de Fe, aumento da taxa de resfriamento ou pela adição de agentes neutralizadores, como Mn, Cr e Co (1). Outro grande problema dessas ligas, sobretudo nas recicladas, é a remoção de impurezas que teoricamente prejudicam as propriedades mecânicas da peça e envolvem processos poluentes, como na remoção de magnésio com a adição de flúor e devem ser evitados (4).
Este trabalho teve como objetivo estudar a influência da composição química e da taxa de resfriamento na microestrutura da liga A380, incluindo a formação de porosidade. A composição química básica foi mostrada na tabela 1, sendo que foram adicionados como elemento para refino de grão, magnésio (0,5%), e sódio como agente modificador do silício eutético. O estudo é importante, porque do controle da formação das fases intermetálicas as propriedades mecânicas da liga podem ser melhoradas e um maior teor de magnésio pode ser tolerado, evitando o uso de processos poluentes para sua retirada.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Projeto da cunha e do molde metálico
Para garantir as diferentes taxas de resfriamento, utilizou-se um molde metálico de ferro fundido em forma de cunha, cujo projeto foi otimizado pelo software de simulação de fundição MAGMA versão 3.5 da Magmasoft do Laboratório de Fundição do DEMa- UFSCar e está mostrado na figura 1.
Figura 1. Molde metálico em forma de cunha para variação da taxa de resfriamento na solidificação da liga. As medidas estão em mm.
Projeto do experimento
O parâmetro térmico utilizado no estudo foi a taxa de resfriamento coletada através de três termopares tipo S inseridos no molde metálico da cunha e conectados à um sistema de aquisição de dados. A tabela II mostra a distância de cada termopar em relação à base inferior do molde metálico e o processo de fundição com taxa de resfriamento similar a cada uma das três regiões:
Tabela II: Relação entre posição no molde metálico e taxa de resfriamento. Altura (mm) Taxa de resfriamento (°C/s) Similar ao processo de fundição Notação utilizada no trabalho
130 ~ 10 Molde permanente Resfriamento Médio
50 ~ 30 Sob pressão Resfriamento Rápido
Na composição química adotada foram estudados os efeitos de três elementos: sódio, como modificador, titânio como inoculante da fase rica em alumínio e o magnésio no teor de 0,5%. Esses elementos foram combinados, formando cinco amostras diferentes. A tabela III resume os experimentos realizados, sendo o teor de ferro de 0,6% em todas as amostras.
Tabela III: Resumo dos experimentos realizados Designação do experimento Modificador Na (% vol.) Refinador Al-5Ti-1B (% vol.) Magnésio (% vol.) C- Base --- --- --- C- Na 0,011 --- --- C-Mg --- --- 0,5 C- Na/Mg/Ti 0,02 0,23 0,5 C- Na/Mg 0,034 --- 0,5 Designação:
• C- Base: Esta cunha serviu de base para a análise dos resultados, pois não foi adicionado nenhum dos três elementos.
• C- Na: À essa cunha foi adicionado sódio, e foi analisado seu efeito isolado na microestrutura.
• C- Mg: À essa cunha foi adicionado magnésio, e foi analisado o efeito do mesmo, isolado na cunha.
• C- Na/Mg/Ti: À essa cunha foi adicionado os três elementos e foi analisado o efeito da combinação desses elementos na microestrutura.
• C- Na/Mg: À essa cunha foi adicionado sódio e magnésio, e foi analisado o efeito da combinação dos dois elementos na microestrutura da liga.
Preparação metalográfica das amostras
As cinco cunhas obtidas foram identificadas e seccionadas nas regiões onde houve o monitoramento de temperatura, conforme a figura 2.
Corte 2: Resfriamento Lento Corte 3: Resfriamento Médio Corte 4: Resfriamento Rápido
Figura 2. Esquema e localização da retirada das amostras para observação metalográfica.
As amostras da cunhas foram então lixadas em granas 180, 240, 320, 400, 600, 1200 e 2000, e depois polidas com alumina 1 µm e pasta de diamante 0,25 µm. Os planos que sofreram a preparação metalográfica foram aqueles onde foram feitos os corte indicados na figura 2.
Caracterização metalográfica:
Todas as análises foram feitas via microscopia ótica, sendo que a contagem de porosidade e α-AlFeSi foi realizada pelo método manual. Para ambos os casos, utilizou-se o método da contagem de pontos, obedecendo a norma ASTM E562. A determinação do comprimento das agulhas de β-AlFeSi foi feita através do software Image- Pro Plus versão 1.3. O ataque químico para evidenciar essas fases ricas em ferro foi realizado com ácido sulfúrico concentrado a 20%.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As figuras 3 e 4 ilustram as fases intermetálicas de ferro (α-AlFeSi β-AlFeSi) sem ataque químico. A figura 3 ilustra o intermetálico α-AlFeSi, na forma de escrita chinesa. A figura 4 ilustra uma agulha do intermetálico β-AlFeSi.
Figura 3. Indicação do intermetálico α-AlFeSi Figura 4. Indicação do intermetálico β-AlFeSi
A tabela IV resume a parte experimental do trabalho e relaciona a porosidade, porcentagem da fase α-AlFeSi e o comprimento das agulhas de β-AlFeSi com a composição química e com a taxa de resfriamento.
Tabela IV: Medidas de porosidade, porcentagem de α-AlFeSi e comprimento das agulhas de β-AlFeSi (µm), relacionadas com a composição química e a taxa de resfriamento.
Porosidade (% em vol.) Porcentagem de α-AlFeSi (%em vol.)
Comp. das agulhas de β-AlFeSi (µm) Composição química Resf. rápido Resf. Médio Resf. Lento Resf. rápido Resf. Médio Resf. Lento Resf. rápido Resf. Médio Resf. Lento C- Base 0,41 1,70 2,91 0,4 1,1 0,1 26 59 64 C- Na 0,27 1,76 1,76 1,0 0,7 0,1 20 69 94 C-Mg 0,29 1,86 2,80 0,1 0,6 0,1 17 42 55 C- Na/Mg/Ti 0,51 1,34 2,62 0,1 1,1 0,1 16 45 37 C- Na/Mg 0,83 1,78 2,89 0,4 0,4 1,7 29 45 57 Porosidade
A taxa de resfriamento tem efeito predominante na formação de porosidade, sendo que altas taxas diminuem sensivelmente o volume de porosidade. Como a formação de porosidade em ligas de alumínio está associada à cinética de nucleação e crescimento de bolhas de gás (5), (6), a maior taxa de resfriamento diminui a probabilidade de formação das moléculas de gás (hidrogênio), e conseqüentemente, a formação de porosidade. Para uma mesma taxa de resfriamento, o efeito da composição química não é tão pronunciado, provavelmente pelo fato das ligas terem sido desgaseificadas, e, portanto vazadas com baixo teor residual de hidrogênio. Uma constatação muito positiva é que a adição de magnésio não provocou qualquer alteração percentual na formação de porosidade.
Porcentagem de α-AlFeSi e β-AlFeSi
A altas taxas de resfriamento dificultam a formação de β-AlFeSi, o mesmo não ocorrendo para o α-AlFeSi. Isto pode ser explicado pelo fato que o β-AlFeSi se forma e cresce mais facilmente em condições tendendo ao equilíbrio, por ser uma fase que cresce com interface facetada (7), (8).
Fe-β Fe-α
Apesar da grande dispersão dos resultados, a fase α-AlFeSi é mais favorecida para taxas de resfriamento mais altas. Isto ocorre mais em função das dificuldades de crescimento da fase β-AlFeSi do que propriamente a taxa de resfriamento mais alta facilitar a nucleação e crescimento da fase α-AlFeSi. Na realidade, a diminuição significativa da fase β-AlFeSi faz com que os elementos de liga e as impurezas segregadas criem maiores condições para o aparecimento do α-AlFeSi. No caso das baixas taxas de resfriamento, as condições são suficientes para a formação do β-AlFeSi e a fase α-AlFeSi aparece em quantidades muito baixas na maior parte dos casos. O magnésio e o titânio dificultam a formação do β-AlFeSi, o que é benéfico para a liga, sem, no entanto, aumentar a quantidade de α-AlFeSi. Este resultado parece estar associado ao efeito de refino da fase alumínio-α provocado por estes elementos (8).
CONCLUSÃO
Tomando como base os resultados obtidos, conclui-se que a taxa de resfriamento influencia bastante tanto na porosidade quanto na fases intermetálicas de ferro formadas, sendo que altas taxas de resfriamento dificultam a formação de poros e a formação de grandes agulhas da fase β-AlFeSi, melhorando as propriedades da liga. Percebe-se que o efeito da taxa de resfriamento se sobrepõe ao da composição química, na formação dessas agulhas.
O titânio dificultou a formação de grandes agulhas de β-AlFeSi. O sódio, por sua vez, favoreceu sua formação, o que não é desejado.
Já o magnésio, até o teor de 0,5% utilizado neste trabalho, não apresentou efeito prejudicial à liga, pelo contrário, impediu a formação de grandes agulhas de β-AlFeSi, e quando combinado com sódio, favoreceu a formação da fase α-AlFeSi, que é menos prejudicial que a fase β-AlFeSi, devido à sua morfologia complexa.
Sendo assim, um aumento na tolerância de magnésio para as ligas A380 não influenciaria negativamente nas suas propriedades. Em países como Japão e Alemanha a tolerância de magnésio em ligas similares é três vezes maior que no Brasil, e no Canadá esse valor é de sete vezes. Tendo em vista os efeitos nocivos ao meio ambiente que a retirada do excesso de magnésio provoca, seria interessante a alteração das normas visando permitir um maior teor deste elemento. AGRADECIMENTOS
Ao CNPq / PIBIC, pela bolsa de G.S. Pereira e ao projeto CNPq no 471424/2001-3, pelo apoio financeiro, assim como à FAPESP (projeto Temático) e ao MCT- FINEP (Programa de Apoio a Núcleos de Excelência PRONEX) pelo apoio recebido.
BIBLIOGRAFIA
1. E. L. Rooy, Aluminum and Aluminum Alloys, Metals Handbook, vol. 9, 1988.
2. E. L. Rooy, Aluminium and aluminium alloys, American Society for Metals. Metals Handbook, 19th ed.Ohio, 1988. v. 15, p. 743-769.
3. Associação Brasileira de Fundição ABIFA, Tendências e Perspectivas, Publicado na Revista Fundição e Serviço, Agosto, 1997.
4. F. H. L. Tironi, Caracterização da liga hipoeutética Al-Si 319: O papel da composição química e da taxa de resfriamento na formação da microestrutura. Tese de mestrado, PPG- CEM, UFSCar, São Carlos, 2001
5. D. R. Poirier, K. Yeum, A.L. Maples, A thermodynamic Prediction for microporosity formation in Aluminium- Rich Al- Cu Alloys, Metallurgical transictions, V.18 A, p. 1979, 1987.
6. R. Fuoco, H. Goldenstein, J. E. Gruzleski, Evaluation of Effect of Modification Indiced Eutetic Undercooling on Microporosity Formation in 356 Al Alloy. AFS Transaction, V.103, p. 197-306, 1994.
7. C. M. Allen, K. A. Q. O’ Reilly, B. Cantor, P. V. Evans, Intermetalic phase Selection in 1XXX Al Alloys. In: Progress in Materials Science 43 th , p. 89-170, 1998.
8. P. S. Mohanty, J. E. Gruzleski, Grain Refinement, Modification and Melt Hidrogen Their Effects on Microporosity, Skrinkage and Impact Properties in A356 Alloy. AFS transaction, V. 100, p. 415-424, 1992
THE INFLUENCE OF THE CHEMICAL COMPOSITION AND COOLING RATE ON
MICROSTRUCTURE OF THE Al-Si A380 ALLOY
ABSTRACT
In this work, the influence of the cooling rate and chemical composition (Na , Ti and Mg additions) on the microstructure and porosity of the hypoeutectic Al- Si A380 alloy was investigated.
The alloy was melted in an induction furnace, degassed with hexaclorethane C2Cl6 and poured in a wedge-like metallic mold aiming the variation in the cooling rate, which were monitored by using thermocouples linked to an acquisition data system.
The metallographic characterization was made by optical microscopy in regions next to the thermocouples. The porosity and the intermetallic α-AlFeSi phase were quantified by the point count method and the average lengths of the β-AlFeSi needles were measured with aid of the Image- Pro Plus software.
The increase in the cooling rate resulted a decrease in the porosity and β-AlFeSi phase length. The magnesium addition well above the specified value stated by Aluminum Association for the A380 alloy did not promote a porosity increasing, as suggested by other authors.
