Classificação Geral das Ligas de Al

(1)

Aula 14: Solidificação do alumínio e suas ligas

- Introdução - Diagrama Al-Si

- Influências dos elementos de liga - Modificação das ligas Al-Si

- Microestruturas e propriedades mecânicas - Mecanismos de endurecimento

Classificação Geral das Ligas de Al

Ligas de

Fundição

Ligas de Conformação

_{ou Trabalháveis}

Boas Propriedades de Fundição

Previsão através de: - Diagramas de Equilibro - Composição Química

Alta ductilidade

Baixa resistência mecânica Solidificação de Ligas de Al

(2)

Ligas de Fundição

Tratamentos

Térmicos

Solubilização

Precipitação

(Envelhecimento)

Tratamentos

do Banho

Refino de Grão

Modificação do Si

Refino da Matriz (

α

)

Refinamento e

coalescimento das

partículas de Si

Coalescimento das partículas de

Si e endurecumento por soluto

Formação de precipitados

submicroscópicos (Zonas GP)

Flow chart to Aluminum alloy selection

(3)

Elementos de liga primários (major elements): silício (Si) – cobre (Cu) e magnésio (Mg)

Elementos de liga secundários (minor elements): níquel (Ni) e estanho (Sn)

Elementos de modificadores da microestrutura: estrôncio (Sr) - titânio (Ti) – manganês (Mn) – boro (Bo) – cromo (Cr) – fósforo (P) e berílio (Be)

Elementos considerados impurezas: ferro (Fe) – cromo (Cr) e zinco (Zn) Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundição:

elementos usualmente presentes

Diagramas de Equilíbrio Importantes

Al – Si

Al – Cu

Reação eutética

⇒

_{excelente fluidez e}

baixa contração na solidificação

Alta solubilidade sólida

⇒

maior resistência

através de tratamentos térmicos

Al – Mg

(4)

Ligas de

fundição mais

utilizadas

Ponto Eutético

Si 12,6 %

T = 577

0

_C

L

α

+ L

Al Si

α

+

β

L +

β

660 1430 T (o_C) 577 12,6 Solidificação de Ligas de Al

(5)

Ligas de Fundição

⇒

_{Si - 5 a 24%}

T (o_C) Al

β

1430 L

α

Si 660 α+ Si 5770_C DIAGRAMA Al-Si LIGAS DE Al PARA FUNDIÇÃO Classificação das ligas Al-Si em função do teor de Si Ligas Hipereutéticas Ligas Hipoeutéticas Solidificação de Ligas de Al Mais utilizadas:

- Boas propriedades de fundição - Moderadas propriedades

mecânicas

- Melhores propriedades

mecânicas com adição de outros elementos (Cu, Mg,....) Ex.: 356 – Al7Si0,3Mg 319 – Al6Si3,5Cu Ligas Eutéticas

β

Si L

α

Al T (o_C) -Excelentes propriedades de fundição -Fragilidade em função da morfologia do Si -Aplicações especiais (alta resistência ao

(6)

L α+L α Al

→

%Cu 5,65Cu 33Cu α+ CuAl2 T (0_C) 5480_C 6600_C

Diagrama Al-Cu

Maior região de

solubilidade sólida

Ligas aceitam

tratamento de

solubilização

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades dos Fundidos

Cr

Reduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em ligas AlMgZn

Refinador de grão

Mn

Incrementa a resistência à tração em ligas com Cu ou Si

(7)

Ti

Incrementa a resistência à tração e a ductilidade Diminui a condutividade térmica

Bo

Ti - Bo

Sr – Na – Ca - St

Modificadores do Si

(8)

Importância dos elementos de liga

Elementos que formam precipitados endurecedores:

Elementos que atuam como refinadores de grãos:

Mn

Ti

Bo

Cr

Fe

Zn

Ni

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades de Fundição

Aumenta fluidez

Si

Reduz a contração volumétrica externa

Cu

Reduz fluidez

Provoca fragilidade a quente Reduz a contração interna

FUNDIBILIDADE

Solidificação de Ligas de Al

(9)

Aumenta tendência a oxidação ⇒_{formação de borras}

Mg

Fe

Reduz aderência do metal à coquilha

Zn

Elevados teores provocam fragilidade

a quente e alta contração

Propriedades de Fundição

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades dos Fundidos

Influência dos Elementos de Liga

Si

Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão

Melhora soldabilidade

Reduz coeficiente de expansão Melhora estanqueidade

(10)

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades dos Fundidos

Cu

Melhora a usinabilidade

Endurecedor ⇒aumenta a resistência mecânica nas ligas brutas de fusão e tratadas térmicamente

Reduz a resistência à corrosão

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades dos Fundidos

Mg

Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a usinabilidade

Permite as melhores combinações de resistência mecânica e à corrosão

Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as ligas Al-Si tratáveis térmicamente

(11)

Influência dos Elementos de Liga

Propriedades dos Fundidos

Zn

Pequenas adições (em combinação com o Mg) produzem boa resistência ao impacto, alta resistência à tração e excelente ductilidade

Ni

Melhora a estabilidade dimensional e a resistência a _{altas temperaturas}

Influência dos Elementos

sob a Forma de Impurezas

Ni

Diminui resistência à corrosão e endurece a matriz

(forma intermetálicos)

Zn

Aumenta oxidação do Al, as perdas na fusão e o ataque _{aos refratários (forma pontos duros)}

Pb

Não é miscível no Al líquido

(12)

Microestrutura

das Ligas

Hipoeutéticas

MATRIZ

Dendritas Celulares de Al

α

ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA

• Partículas de Si eutético

• Fe

₃

SiAl

₂

• Fe

2

Si

Tonalidade

de Cinza

Microestrutura típica de uma liga Al7Si

(13)

A Liga 356 – Al7Si0,3Mg

Sequência de solidificação de ligas hipoeutética AlSiMg (Cu-Mn-Fe)

(14)

Diagrama de fases simplificado para a liga 356.0 (Al-Si-Fe-Mn) com 0,3 Mn mostrando a sequência de solidificação representada na linha tracejada 1, 2ª, 2b e 3 (BACKARD;CHAI;TAMMINEN, 1990.

Microestrutura

das Ligas

Hipoeutéticas

MATRIZ

Dendritas Celulares de Al

α

ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA

• Partículas de Si eutético

• Fe

₃

SiAl

₂

• Fe

2

Si

Tonalidade

de Cinza

Solidificação de Ligas de Al

(15)

Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg)

Fundida em Coquilha

A

B

C

D

A

= Dendritas de

Solução Sólida

α

B

= Rede Interdendrítica

de CuAl

₂

(cinza claro)

C

= Agulhas de Cu

₂

FeAl

₇

(cinza médio)

D

= Partículas de Si

(cinza escuro)

C

Modificação de Ligas Al-Si

• Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleantes)

como Na – Sb – Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente dispersas na Matriz de Alα

• A composição eutética normal do sistema Al-Si

corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 5770_{C o Na e}

os outros agentes modificadores tendem a deslocar

composição e a temperatura de equilíbrio eutético de modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéticas mantendo-se as características de fundição inerentes às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiramente hipoeutéticas

Principal Consequência

⇒

_{Aumento da Resistência}

e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.

(16)

Eutético

Normal

12,6% Si

T = 577

0

_C

Eutético

Modificado

14,2% Si

T = 562

0

_C

Si L

α

+ L

Al

α

+ Si

_Si

L + Si

660 1430 T (o_C) 12,6 14,2

It is standard practice to refine the eutectic structure as well as the grain structure of aluminum-silicon casting alloys. A moderate improvement in

mechanical properties is guaranteed with structural integrity when the silicon eutectic phase is refined with arsenic, antimony, or sulfur . The more usual and

more effective treatment is structure modification of the silicon phase, although on occasion there may be an increased susceptibility to porosity. Modification occurs naturally at rapid solidification rates (quench modification), but requires a modifying agent at the slower solidification rates typical of sand casting (impurity modification). Elements in groups I and IIa and the rare earths europium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium modify, but only

sodium and strontium produce a strong modifying action at the low concentration required for commercial application . Both modifying actions

transform the flake eutectic silicon into a fibrous form, producing a composite like structure with increased ultimate tensile strength, ductility,hardness, and

machinability.

Silicon Modification

(17)

Mechanism of Modification

The finer silicon-phase distribution in the modified structure is evident from structures D and E in Fig. 4. Region C in Fig. 4 is the coupled zone. This defines the compositional and growth temperature (velocity) limits within which it is necessary to solidify in order to obtain a completely eutectic structure in aluminum-silicon alloys. The zone retains its shape, but narrows as the temperature gradient in the liquid is reduced (see the article "Solidification of Eutectics" in thisVolume). Modification was originally attributed to the repeated nucleation of the eutectic silicon phase at a reduced temperature (Ref 12, 13). It is now established that, although the nucleation temperature is depressed, the silicon phase grows continuously without repeated nucleation at an increased undercooling (Ref 14, 15). The aluminum phase is not affected structurally by modification, and there is evidence that both sodium and strontium are concentrated in the silicon phase. Consequently, modification is now considered to be associated primarily with a change in the silicon-phase growth mechanism. This change is induced either at high growth velocities or by a modifier at all but extremely low velocities,and it results in a change from a faceted to a more isotropic growth morphology.

(18)

angular eutectic silicon andcomplex regular silicon. Region C, coupled zone (see Fig. 5).

Region D, angular and flake eutectic silicon and aluminum dendrites. Region G, flake-to-fibrous eutectic silicon transformation. Region E, fibrous eutectic silicon and aluminum dendrites. Region S, eutectic silicon and complex regular and starlike primary silicon. Region S', eutectic silicon

and complex regular, starlike, and polyhedral primary silicon. Micrographs: S, complex regular and starlike primary silicon with flake eutectic silicon; 100×. D, typical unmodified structure of a 413 alloy showing flake eutectic silicon and aluminum dendrites; 100×. E, typical chill-modified structure of a 413 alloy showing fibrous eutectic silicon and a higher volume fraction of finer aluminum dendrites than structure D;100×. S', scanning electron micrograph showing a (100) section through an octahedral primary silicon particle revealing four {111} planes; 1500×.

Fig. 5 Eutectic silicon morphologies found in the

coupled zone as a function of growth velocity and temperature gradient in the liquid at the growth interface. Region A, massive, faceted eutectic

silicon in an aluminum matrix. Region B, rod and rod with faceted sideplate eutectic silicon in an aluminum matrix. Region B + C, angular silicon

with some flake eutectic silicon in an aluminum matrix. Region C + B, mainly flake eutectic silicon

with some angular silicon in an aluminum matrix. Region G + B', quench-modified fibrous

silicon with some modified angular silicon eutectic in an aluminum matrix. Micrographs: A, massive faceted eutectic silicon; 100×. B, rod with faceted side plate eutectic silicon; 100×. C + B, mainly eutectic flake silicon with some angular silicon,100×, and scanning electron micrograph (lower right) showing angular silicon and flake eutectic silicon; 1500×.

G + B', quench-modified fibrous silicon and modified angular silicon, 100×, and scanning electron micrograph (upper right) showing quench-modified fibrous silicon; 1500×. Source: Ref 17.

(19)

Liga 356 Bruta de Fundição

Liga 356 Modificada – 0,008% Sr (em peso) Modificação Parcial

Liga 356 Modificada – 0,022% Sr (em peso) Modificação Total

Araújo, S. K. Efeito da Modificação com Estrôncio na Microestrutura e nas Propriedades

Mecânicas da Liga 356 . Dissertação de Mestrado, PGCEM, Joinville, 2012, 80p.

Liga % de Sr em peso Tα-Al(°C) TE(°C) ∆T=TE -Te (°C) Calor Latente (J/g) 1 0 598,7 569,7 - 194,8 2 0,008 598,1 568,5 1,2 197,2 3 0,012 598,7 566,4 3,3 199,7 4 0,022 597,6 562,3 7,1 254,2 5 0,031 597,3 564,6 5,1 289,7 6 0,040 598,5 564,4 5,3 324,0

Resultados da análise térmica.

Araújo, S. K. Efeito da Modificação com Estrôncio na Microestrutura e nas Propriedades Solidificação de Ligas de Al

(20)

Não Modificada 0,008% Sr Modificação parcial 0,012% Sr Modificação quase total

0,022% Sr Modificação total 0,031% Sr Supermodificação 0,040 % Sr Supermodificação

Araújo, S. K. Efeito da Modificação com Estrôncio na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga 356 . Dissertação de Mestrado, PGCEM, Joinville, 2012, 80p.

Não Modificada 0,008% Sr Modificação parcial 0,012% Sr Modificação quase total

0,022% Sr Modificação total 0,031% Sr Supermodificação 0,040 % Sr Supermodificação Araújo, S. K. Efeito da Modificação com Estrôncio na Microestrutura e nas Propriedades

Mecânicas da Liga 356 . Dissertação de Mestrado, PGCEM, Joinville, 2012, 80p.

Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em

Moldes de Areia – HF – 100x

Bruto de Fusão

Partículas aciculares de Si

Modificado com 0,025%Na

Partículas de Si menores

e arredondadas

(21)

Propriedades Mecânicas

da Liga A356 Bruta de

Fusão e Modificada com

Na em função do

tamanho dos grãos.

Liga Modificada com Na

Propriedades Mecânicas de Ligas de Al para Die Casting

Ensaio de Tração

A380.0 Al8,5Si3,5Cu 384.0 Al11,2Si3,8Cu 390.0 Al17Si4,5Cu0.6Mg 160 325 4,0 172 325 1,0 240 280 1,0

Liga

(SAE)

Composição Nominal

σ

esc (Mpa) σ_max (Mpa) Alongamento (%) 360.0 Al9,5Si0,5Mg 172 324 3,0 Solidificação de Ligas de Al

(22)

Ligas de Fundição

Tratamentos

Térmicos

Solubilização

Precipitação

(Envelhecimento)

Tratamentos

do Banho

Refino de Grão

Modificação do Si

Refino da Matriz (

α

)

Refinamento e

coalescimento das

partículas de Si

Coalescimento das partículas de

Si e endurecumento por soluto

Formação de precipitados

submicroscópicos (Zonas GP)

F-Bruta de fusão(Investment Casting)

rede interdendrítica de:

•Silício Eutético (cinza escuro e sharp)

• Cu₂Mg₈Si₆Al₅(cinza claro, script)

• Fe2Si2Al9 (cinza médio, blades)

• Mg₂Si (preto)

F-Modificadacom adição de Al-10Sr ao banho (Investment Casting)

Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético estão menos pontiagudas

T6 - Fundida em Coquilha, solubilizada e envelhecida.

Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético ficaram mais coalescidas (arredondadas)

Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg)

(23)

Liga 356 (Al7Si0,3Mg)

F –

Bruta de fusão em

areia

Tamanho médio dos

macrogrãos

≅

5mm

Refinada

com adição de

0,05%Ti e 0,005% B

Tamanho médio dos

macrogrãos

≅

1mm

Bruta de fusão(investment casting)

Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu₂Mg₈Si₆Al₅(cinza claro, script)

Bruta de fusão (investment casting)região solidificada mais rapidamente(colocação de um resfriador)

Constituintes são os mesmos, mas as dendritas celulares de

α

são

menores e as partículas do Si eutético são menores e menos

Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg)

(24)

Bruta de Fusãoem Areia -Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico

Solubilizadaa 5400_C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si Modificadapela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares

(Al7Si0,3Mg)

Modificada pela adição de Na (0,025%)e Solubilizada

Partículas de Si

arredondadas e aglomeradas

Bruta de Fusão (Premium Quality Casting) Rede interdendrítica de Si eutético (cinza);

partículas de Mg₂Si (preto)

T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente partículas de eutético e coalescidas aglomeradas

pela solubilização

Sob maior aumento, observa-se pequenas partículas de Mg2Si não solubilizadas

(prêto)

Liga 357

(Al7Si0,5Mg)

(25)

(liga A356)

(d) (a)(b)(c) (e)

Borda da amostra Estrutura mais refinada Centro da amostra

Estrutura mais grosseira

φ= 12,6mm

Superfície de fratura (MEV) baixo aumento

HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas