ENDERSON CARLOS
LUIS EDUARDO DA COSTA
MATHEUS FELIPE DA C. VIEIRA
RAPHAEL CAMPOS
VITOR SÁVIO
PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNDIÇÃO
PINDAMONHANGABA – SP
25 de abril de 2014
ENDERSON CARLOS
LUIS EDUARDO DA COSTA
MATHEUS FELIPE DA C. VIEIRA
RAPHAEL CAMPOS
VITOR SÁVIO
PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNDIÇÃO
|
PINDAMONHANGABA – SP
25 de abril de 2014
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 41.
FUNDIÇÃO
DE LIGAS DE ALUMÍNIO ........................................................................
5
4
4
INTRODUÇÃO
No
contexto industrial atual, a tecnologia na criação de ligas metálicas tem
avançado expansivamente em vista das necessidades do mercado contemporâneo. Uma
evolução que tem se destacado no desenvolvimento de pesquisas, enquanto ao
aprimoramento de suas composições químicas, técnicas de produção, e aplicações no
mercado atual.
O
alumínio puro e algumas de suas ligas apesar de características como resistência
mecânica relativamente baixa e uma particular limitação quanto a baixa temperatura
de fusão (aproximadamente 660°C), o que restringe a sua aplicação a altas
temperaturas, pode, por outro lado, se destacar em vista de sua baixa densidade
(cerca de 2,7 g/cm³), alta resistência à corrosão, inclusive em ambientes como
água salgada, ótima condutibilidade térmica e elétrica, ductilidade
elevada, o que caracteriza seu uso em muitas aplicações de conformação e sua
baixa toxidade, o que tem sido explorado pelas indústrias de produtos
alimentícios. Em contrapartida, outras ligas de alumínio, destacam-se por
apresentar alta resistência mecânica contraponto sua leveza, podendo ainda
beneficiar projetos pelas suas características inalteradas.
Grandes
referências do cenário atual são as indústrias automobilísticas e
aeroespaciais, cujo o desenvolvimento de primorosas ligas de alumínio, tem
alcançado um exímio avanço tecnológico.
Quanto
as ligas de alumínio ideais para fundição, além das variadas propriedades e
características, exigem algumas particularidades como, por exemplo, boa fluidez
para preenchimento de moldes com secções delgadas, rápida transferência de
calor da liga fundida para o molde, fornecendo curtos ciclos de fundição e
estabilidade química, além de relativo ponto de fusão baixo.
Toda
importância no estudo e na elaboração de pesquisas dessas ligas para fundição,
tem demonstrado o espaço conquistado no avanço tecnológico, e consolida-se nas
várias utilidades militares e civis, exemplos disso são os transportes terrestres,
aéreos e navais, beneficiados com todas as propriedades mecânicas também oferecidas
por aços forjados, ferros fundidos e aços soldados, porém, apresentando menor
peso, opção que coloca a frente pelo menor consumo de combustível.
5
- FUNDIÇÃO DE LIGAS DE
ALUMÍNIO
As
primeiras experiências na fundição do alumínio são bastante recentes em vista
da história de outros metais fundidos, data-se de 1825, onde Hans Oestard
conseguiu isolar quimicamente o alumínio, desde então o metal passou a ser uma
opção de material para a engenharia, porém além de lento o processo era inviável.
Foi quando surgiu a produção eletrolítica do alumínio, no ano de 1886,
inventada por Charles Hall, um fato que possibilita até hoje a produção de milhões
de toneladas do metal.
Atualmente,
os fundidos em alumínio são produzidos em centenas de composições que oferecem
mercado, em vista disso, foram desenvolvidos processos para melhorar as
capacidades dos fundidos em novas aplicações industriais de maneira mais
técnica. São normalmente divididos em duas categorias: processos de moldes
descartáveis a aqueles processos no qual os fundidos são produzidos
repetitivamente em ferramentas de vida longa como moldes permanentes, como os
de areia verde e fundição em molde metálico permanente.
Ainda
numa história mais recente, a fundição de ligas alumínio-silício veio a ser
desenvolvida de maneira notória, tornando-se uma opção vantajosa quanto a
produtos de ferro-fundido ou de alguns aços comumente utilizados. Aplicado em indústrias
de produção de componentes automotivos por exemplo, processos de fundição por
gravidade em molde permanente, fundição centrífuga ou até mesmo por pressão são
utilizados na produção de rodas de alumínio.
- LIGAS DE ALUMÍNIO PARA
FUNDIÇÃO
Os
principais fatores que influenciam na seleção da liga para fundição incluem o processo
a ser desenvolvido, o projeto do produto, propriedades requisitadas e a viabilidade
do desenvolvimento de tecnologia.
O
alumínio e suas ligas recebem da Aluminium Association um sistema numérico de quatro
dígitos que os identificam na forma de peças fundidas e lingotes. O
primeiro dígito indica o grupo do elemento de liga conforme a tabela 1.
6
Tabela 1– Classificação das ligas de
alumínio segundo a Aluminium Association
(POLMEAR, 1995)
|
PRINCIPAL
ELEMENTO DE LIGA
|
DESIGNAÇÃO
|
|
Alumínio
99% de pureza ou mais
|
1xx.x
|
|
Cobre
|
2xx.x
|
|
Silício
com adição de cobre e (ou) manganês
|
3xx.x
|
|
Silício
|
4xx.x
|
|
Magnésio
|
5xx.x
|
|
Zinco
|
7xx.x
|
|
Estanho
|
8xx.x
|
|
Outros
elementos
|
9xx.x
|
|
Série
não utilizada
|
6xx.x
|
No
grupo 1xx.x , os segundo e o terceiro dígitos indicam o percentual mínimo de alumínio,
por exemplo a denominação 150.x indica uma composição com no mínimo 99,50% de alumínio.
O último dígito, o qual está a direita da casa decimal indicam a forma do
produto, sendo o 0 ou 1 utilizados para indicar produtos fundidos ou lingotes, respectivamente.
Nos grupos 2xx.x a 9xx.x , o segundo e o terceiro dígitos servem apenas para
identificar as diferentes ligas dentro do grupo. Quando há modificação da liga original
ou do limite normal de impurezas, uma letra serial é incluída depois da designação
numérica. Um exemplo é a letra X que é utilizada apenas para as ligas experimentais.
A
indústria utiliza-se das ligas de alumínio em uma diversa gama de aplicações, a
liga alumínio-silício ocupa um espaço de grande importância para fundição,
devido, principalmente, seu alto índice de fluidez, o que é possível pela
característica eutética do Al-Si. Ainda quando requerida melhor resistência à
corrosão e melhor condição de fluidez, a liga de Al-Si recebe adição de cobre
(Cu) em teores não muito elevados para atender as essas propriedades, já em
relação a maior dureza e resistência mecânica, a adição de magnésio (Mg) torna
a liga tratável termicamente.
Ligas
comerciais, usualmente, contém silício nas proporções de 5% a 13%. Composições
que contenham Si entre 7% e 10%, geralmente caracterizam-se como ligas
hipoeutéticas, essa condição apresenta alta ductilidade e baixa resistência, no
entanto,
7
quando
adicionado Mg, o baixo teor de Si é compensado, o que contribui com maior
dureza a liga.
Ligas
em que o magnésio é o principal elemento de liga, possuem baixa fluidez, e são
usualmente condicionadas ao vazamento em moldes de areia, podem ser usadas em peças
como dispositivos de informática e equipamentos elétricos onde a estabilidade
dimensional é imprescindível, também podem ser usadas em aplicações automotivas
e marinhas, devido a sua ótima resistência à corrosão.
Ligas
Al – Si – Mg podem apresentar certas combinações de magnésio e silício que apresentam
importantes efeitos quando ligados. Os dois elementos podem formar um composto intermetálico
Mg2Si, que contém 64% de magnésio e 32% de silício, para formar um
sistema quase binário Al- Mg2Si.
- LIGAS
DA SÉRIE 356 E A356
A
liga A356 é um importante material comercial sendo muito aplicada em indústria aeroespacial
e automotiva devido as suas ótimas propriedades mecânicas em contrapartida com seu
baixo peso específico. Além destes segmentos, também pode ser utilizada na indústria
bélica sendo considerada uma das ligas mais utilizadas no processo de fundição
de metais semi-sólidos. Suas principais características são média resistência
mecânica, excelente fluidez e estanqueidade sob pressão, boa resistência à
corrosão e usinabilidade, sendo muito utilizada em fundição em molde permanente
e de areia. Tratamentos térmicos são utilizados para proporcionar varias
combinações de propriedades físicas e mecânicas para tornar estas ligas atrativas
para muitas aplicações. Exemplos de aplicações destas ligas são: Rodas de alumínio
para carros e aeronaves, corpos de válvula, peças de bombas, peças de
ferramentas de máquinas, caixa de transmissão automotiva, estrutura de aeronaves,
blocos cilíndricos refrigerados e outras aplicações onde boa resistência e
baixo peso são fundamentais.
8
3.1.
PROPRIEDADES
DAS LIGAS DA SÉRIE 356
Além
da escolha da liga, deve ser enfatizado que as propriedades mecânicas de um fundido
são fortemente influenciadas pela microestrutura que é resultado do processo de
fundição e das condições de resfriamento.
As
ligas da série 356 possuem uma gama de propriedades atrativas que estão
listadas a seguir.
3.1.1. PROPRIEDADES FÍSICAS
A
tabela 2 mostra as propriedades físicas das ligas da série 356. A temperatura
de vazamento utilizada neste trabalho foi de 710°C.
Tabela 2– Propriedades físicas da liga
356 (ASM HANDBOOK, 1992).
|
PROPRIEDADE
|
VALOR
|
|
Densidade
|
2,685 g/cm3
|
|
Calor específico
|
963 J/Kg.K (a 100°C)
|
|
Calor latente de fusão
|
389 KJ/Kg
|
|
Temperatura solidus
|
555°C
|
|
Temperatura liquidos
|
615°C
|
|
Temperatura de fusão
|
675°C a 815°C
|
|
Temperatura de vazamento
|
675°C a 790°C
|
3.1.2. COMPOSIÇÕES QUÍMICAS
As
composições químicas para as ligas da série 356 podem variar. As ligas mais
puras, A356, contêm um teor de impurezas muito reduzido. A liga A356.0 é
considerada uma liga especial. Além desta liga, há outras também que são
consideradas ligas especiais, chamadas de ligas Premium. Estas ligas são
caracterizadas por ótimas concentrações de elementos endurecedores e
restritivos controles de impurezas. Em
9
todas
as ligas Premium, impurezas são estritamente limitadas para efeitos de melhoria
da ductilidade. As faixas de composição química para as ligas 356.0 e A356.0
estão listadas na tabela 3.
Tabela 3– Composição química das ligas
da série 356.0 (ASM HANDBOOK, 1992)
|
|
Cu
|
Mg
|
Mn
|
Si
|
Fe
|
Zn
|
Ti
|
Outros (cada)
|
Outros (total)
|
|
356.0
|
0,25
|
0,20
– 0,45
|
0,35
|
6,5
– 7,5
|
0,6
|
0,35
|
0,25
|
0,5
|
0,15
|
|
A 356.0
|
0,25
|
0,25
– 0,45
|
0,10
|
6,5
– 7,5
|
0,2
|
0,1
|
0,2
|
0,05
|
0,15
|
O
alto teor de cobre ou níquel diminui a ductilidade e a resistência à corrosão.
Altos teores de ferro diminuem resistência e ductilidade. São estas algumas das
consequências ao exceder os limites de impurezas.
3.1.3. PROPRIEDADES MECÂNICAS
As
propriedades de tração são governadas por vários fatores, incluindo o nível de magnésio
retido na matriz após a solubilização e têmpera. Este processo, bem como outros
parâmetros de envelhecimento, controla o limite de escoamento da liga e as características
de encruamento. Alto magnésio na matriz resulta em alto limite de escoamento e aumenta
as taxas de encruamento.
Para
a liga A356, comumente usada nos EUA, o alto teor de magnésio permite o endurecimento
por precipitação devido à fase Mg2Si após o tratamento térmico, a
qual desenvolve um alto limite de escoamento. O limite de escoamento é um
parâmetro que se relaciona com a resistência a fadiga do componente, enquanto a
ductilidade se relaciona com a resistência ao impacto. Ambas as propriedades
são muito sensíveis aos defeitos na microestrutura, como grandes partículas de Si,
microporosidades e inclusões de óxidos, que promovem concentrações de tensão. As
propriedades mecânicas para as ligas da série 356.0 fundidas em areia ou em
molde permanente e sob várias condições de tratamento térmico estão descritas
na tabela 4.
10
Tabela 4– propriedades mecânicas da liga
356.0 (ASM HANDBOOK,1992)
|
Tratamento
térmico
|
LR
(MPa)
|
LE
(MPa)
|
Alongamento % (a)
|
Dureza HB (b)
|
Limite de escoamento (MPa)
|
Resistência à fadiga
(MPa)
|
Tensão de escoamento compressivo
(MPa)
|
|
Fundição em Areia
|
|||||||
|
T51
|
172
|
140
|
2,0
|
60
|
140
|
55
|
145
|
|
T6
|
228
|
165
|
3,5
|
70
|
180
|
60
|
170
|
|
T7
|
234
|
205
|
2,0
|
75
|
165
|
62
|
215
|
|
T71
|
193
|
145
|
3,5
|
60
|
140
|
60
|
150
|
|
Fundição em molde permanente
|
|||||||
|
T6
|
262
|
185
|
5,0
|
80
|
205
|
90
|
185
|
LR – limite de resistência.
LE – limite de escoamento
(a) Em 50 mm
(b) Carga de 500 kg, esfera
de 10 mm
(c) Em 5 x 105
ciclos
3.1.3.1. DUCTILIDADE
A
ductilidade é determinada por partículas eutéticas de Si, tratamento térmico e intermetálicos
ricos em Fe. Geralmente, partículas de Si grandes e alongadas e alto teor de Fe
diminuem a ductilidade. A porosidade também tem um efeito prejudicial na
ductilidade
do material. Resultados experimentais mostraram que o alto conteúdo de Mg
aumenta o limite de escoamento enquanto diminui a ductilidade e a tenacidade a
fratura. Alguns experimentos, uma liga 356 com 0,4% de magnésio, envelhecida
por 6 horas a 170°C atingiu um alto valor de tensão e moderada ductilidade. Aumentando
o teor de magnésio possivelmente as partículas de silício aumentam o tamanho e,
geralmente, causam um decréscimo na ductilidade.
11
3.1.3.2. LIMITE DE RESISTÊNCIA
Tratamentos
de envelhecimento realizados a 160ºC e 200°C após tratamento de solubilização,
apresentaram propriedades mecânicas que foram avaliadas usando ensaios de tração.
O limite de escoamento e o limite de resistência aumentaram com o em função do tempo
que também aumentava em ambas as condições testadas. Na condição T5 (resfriamento
após conformação a uma temperatura elevada e depois envelhecida artificialmente)
a tensão máxima é comparada com aquela medida para as mesmas condições no
tratamento T6. Na condição T6 (solubilização seguida de envelhecimento) um
aumento de ductilidade a baixo tempo (0,5h, 160°C) de tratamento foi evidenciado
junto com um aumento no limite de escoamento de tensão máxima. As amostras que receberam
T5 não exibiram valores de ductilidade comparáveis com aqueles das amostras que
receberam tratamento T6. O principal efeito deste tratamento vem a ser então,
de fato, o aumento na ductilidade do material com um aumento nas propriedades
mecânicas.
Os
tratamentos térmicos T5 e T6 produziram um aumento nas propriedades mecânicas do
material. Com respeito a isso, foi observado que o limite de escoamento e o
limite de resistência não diferem para temperaturas de 160 e 200°C enquanto que
a ductilidade difere muito mais de uma temperatura e de outra.
A
figura 7 mostra a influência do tempo de envelhecimento no limite de
resistência da liga baseada no sistema A356, com adições de Cu, Ni e Fe,
denominada liga AlSi7MgCuNiFe. A liga foi envelhecida a uma
temperatura de 180°C e observa - se que os valores de limite de resistência
aumentam com o aumento do tempo de envelhecimento. O limite de resistência mesmo
após 8 horas a 180°C mantém - se praticamente no mesmo valor desde 4 horas de tratamento,
o que é um indício das boas características desta liga a altas temperaturas.
12
Figura 7- Comportamento de envelhecimento
de uma liga AlSi7MgCuNiFe a 180°C
(HEUSLER, 2001).
3.1.3.3. LIMITE DE ESCOAMENTO
A
forma das partículas de silício não interfere muito nos valores de limite de
escoamento, mas o aumento na proporção dos intermetálicos ricos em ferro
diminui o limite de escoamento e aumenta a dureza.
Os
principais efeitos do aumento do teor de Mg nas propriedades mecânicas são o aumento
do limite de escoamento e a diminuição da ductilidade, a perda de ductilidade é
mais pronunciada nas ligas modificadas com Sr.
13
3.2.
INFLUENCIA
DOS ELEMENTOS DE LIGA
A
seguir estão descritos os efeitos dos principais elementos de liga presentes em
ligas de alumínio para fundição:
Silício (Si) – Adições
de silício ao alumínio puro aumentam fortemente a fluidez, a resistência a
trincas de contração e as características de alimentação. As composições mais utilizadas
em todos os processos de fundição. Os teores de silício no
alumínio podem alcançar até 25%;
Ferro (Fe) – O
ferro é uma das mais importantes impurezas nas ligas de alumínio. Em torno de 0,15%
de Fe, o alinhamento destas partículas, em forma de agulhas, produz um efeito
muito prejudicial para as propriedades mecânicas, este problema é normalmente detectado
durante os testes de impacto ou fadiga. A morfologia que resulta essas
partículas pode ser controlada, em certa medida, através de adições de manganês,
por outro lado, a melhor alternativa é manter o conteúdo de ferro menor que
0,10%, caso em que é menos prejudicial às propriedades mecânicas.
Cobre (Cu) –
Aumenta substancialmente a dureza e a resistência tanto na condição bruta de fusão
como tratada termicamente. Ligas contendo teores de cobre entre 4 a 6% respondem
fortemente ao tratamento térmico. Porém, o elemento reduz a resistência à corrosão
em geral sob algumas condições específicas como a corrosão sob tensão. Adições
de cobre também reduzem a resistência à trinca de contração e diminuem a fundibilidade.
Manganês (Mn) – É
normalmente considerado impureza em composições para fundidos sendo controlado
para se manter em baixos níveis na maioria das composições em fundição por gravidade.
Na ausência de endurecimento por trabalho a frio, o manganês não oferece
benefícios significantes nas ligas de alumínio para fundição. No entanto algumas
evidências mostram que uma fração de volume de MnAl6 nas ligas contendo mais
que 0,5% de Mn devem influenciar beneficamente a sanidade interna do fundido. O
Mn também pode ser empregado para alterar a resposta ao acabamento químico e
anodização.
14
Magnésio – É a
base para o desenvolvimento de dureza e resistência em ligas de alumínio-silício
tratadas termicamente e é comumente usado em ligas Al - Si contendo cobre, níquel
e outros elementos para o mesmo propósito. Algumas composições de alta qualidade
nas ligas Al - Si, empregam magnésio na faixa de 0,4 a 0,7%. O magnésio acelera
e intensifica o efeito endurecedor, durante o tratamento térmico T6.
Estrôncio – É
utilizado na modificação do eutético alumínio-silício. Uma modificação eficiente
pode ser atingida a níveis muito baixos de adição, porém é recomendada uma faixa
de utilização de 0, 008 a 0,04%. Altos níveis de adição são associados com porosidades
no fundido, especialmente em processos ou em partes da peça onde a solidificação
ocorre muito lentamente além de que a eficiência do desprendimento de gases poderá
talvez ser afetada por altos níveis de estrôncio.
15
CONCLUSÃO
Os
elementos de liga exercem os mais variados papéis quando adicionados às ligas
de alumínio. Podem ter efeito endurecedor e de aumento de resistência, bem como
vários outros efeitos como refinamento de grão e modificação do silício. Alguns
elementos podem exercer um efeito prejudicial e estes são então chamados
impurezas.
Em
vista destes e dos conceitos apresentados nesta unidade as aplicações de
elementos de liga no cenário econômico, tecnológico, industrial e
desenvolvimento de produtos mundial, estão sendo beneficiados de maneiras
diversas e num crescimento, sem dúvidas, exponencial.
O
desenvolvimento de projetos, hoje, tem ganhado maior sofisticação e requinte
tecnológico, ferramentas de pesquisas espaciais e as mais suntuosas aeronaves,
tem disposto ao homem moderno uma capacidade de domínio sem precedentes.
O
cotidiano social seria, talvez, mais limitado sem as facilidades oferecidas por
automóveis cada vez mais modernos e alguns componentes de computadores, hoje em
dia mais compactos e portáteis, possibilitam capacidades que jamais existiriam
anos atrás. A economia mundial certamente não alcançariam patamares galácticos
sem a criação e aprimoramento dos transportes marítimos, aéreos e terrestres,
responsáveis por locomover tudo que se é vendido ou comprado.
Portando,
é fácil observar que o dia a dia está repleto de itens cada vez menores, mais
leves e modernos com propriedades que hoje são possíveis graças aos avanços nas
pesquisas, técnicas de obtenção, beneficiamento e de fabricação de grandes
responsáveis por esse cenário, como atribuídos ao desenvolvimento das ligas
metálicas.
16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
-
Estudos Bibliográficos/trechos de literaturas de:
ABAL, 2010;
ASM, HANDBOOK, 1992;
BONDINE, 1999;
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HEUSLER, 2001;
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2004
SHENEFELT,
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2006;
THOMSON,
2002;
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