Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas de alumínio Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas de alumínio Solidificação das Ligas de Alumínio - Introdução - Diagrama Al-Si - Influências dos elementos de liga - Modificação das ligas Al-Si - Microestruturas e propriedades mecânicas - Mecanismos de endurecimento Solidificação de Ferros Fundidos - Introdução - Diagrama Fe-C - Diagrama Duplo Fe-C para os Ferros Fundidos - Influências dos elementos de liga e da velocidade de resfriamento - Classificação dos Ferros Fundidos

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos T (0C) Fe + L Fe Fe + Fe L 1450 L + Fe3C Fe + L 1148 Fe 912 Fe+ Fe Fe + Fe3C 727 Fe + Fe3C Fe 0,8 4,3 Fe % C (em peso)

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos

    Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Cinzento Formação de austenita + grafita   Sistema Estável Ferro Fundido Branco Sistema Metaestável Formação de austenita + Fe3C   Velocidade de Resfriamento Fatores que influem no Equilíbrio Elementos de Liga

Ocorre a contração na solidificação Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran 1ª fase: Solidificação pró-eutética  formação de dendritas de Fe γ Carbono (%) Temperatura (0C) 1100 1140 1180 1220 1260 1300 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 Ocorre a contração na solidificação L 2ª fase: Solidificação do eutético - Fe γ + grafita L +Feγ Ocorre expansão devido a formação da grafita e contração devido a formação da austenita (Fe γ). Feγ + Fe3C Feγ + grafita

Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos Carbono Equivalente (%) Temperatura (0C) 1100 1140 1180 1220 1260 1300 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 L L + Fe L + Grafita L + Fe3C Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita

    Influência dos Elementos de Liga Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Influência dos Elementos de Liga Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável  Grafitizante Si   Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento Estabilizador de Carbonetos Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável   Cr  Favorece a formação de Ferro Fundido Branco

Solidificação de Ferros Fundidos Influência do Si no Eutético Fe-C Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Influência do Si no Eutético Fe-C

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Influência do 30 elemento na solubilidade do C no ferro líquido, % em peso do elemento de liga

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura (0C) 1120 1140 1160 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita % de Silício Grafitizante Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável  Si  Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Temperatura (0C) % de Cromo 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1100 1120 1140 1160 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita Estabilizador de Carbonetos Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável Cr   Favorece a formação de Ferro Fundido Branco

   Influência da Velocidade de Resfriamento Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Influência da Velocidade de Resfriamento Temperaturas de Transformação Eutética Curvas de Resfriamento  Indicam : Velocidade de Resfriamento Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento) Resfriamento Rápido  

Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns T (0C) 1 2 3 Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Cementita t (tempo) 1 - Ferro Fundido Cinzento 2 - Ferro Fundido Mesclado 3 - Ferro Fundido Branco

Solidificação de Ferros Fundidos Classificação dos Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Classificação dos Ferros Fundidos Cinzentos Ferros Fundidos Comuns Brancos Nodulares Vermiculares Ferros Fundidos Especiais Maleáveis Ligados

Solidificação de Ferros Fundidos Classificação dos Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Classificação dos Ferros Fundidos Cinzento PERLÍTICO Nodular FERRÍTICO Maleável BAINÍTICO Branco MARTENSÍTICO Vermicular

Solidificação de Ferros Fundidos Propriedades dos Ferros fundidos Não Ligados:   Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Tipo t Mpa esc Along. (5cm) Aplicações Típicas   Cinzento (3,2 C - 2 Si) Perlítico 275 240 <1% Blocos de motor Martensítico 550 nulo Superfícies sujeitas ao desgaste Bainítico Eixos de cames Ferrítico 172 138 < 1% Tubulações, bases de máquinas Nodular (3,5C - 2,5Si) 413 18 Tubulações 380 6 Árvore de manivela Revenido 825 620 2 Partes especiais de máquinas Maleável (2,2C - 1Si) 365 Ferramentas em geral 450 310 10 Equipamentos ferroviários 700 Branco (3,5 C - 0,5Si) Produtos resistentes ao desgaste  

Ferro Fundido Cinzento – grafita em lamelas (veios) Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Cinzento – grafita em lamelas (veios) Ferro Fundido Nodular – grafita em nódulos (esferoidal)

Ferro Fundido Vermicular ou de Grafita Compacta – grafita vermicular Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Vermicular ou de Grafita Compacta – grafita vermicular Ferro Fundido Maleável – ferrita, nódulos de grafita e algumas inclusões

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente Perlítica Com a presença de Estruturas conhecidas como “Olho de Boi” (Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x.

Solidificação de Ferros Fundidos Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ferros Fundidos Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica. Ataque: Nital. Aumento 200x.

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Classificação Geral das Ligas de Al Ligas de Fundição Ligas de Conformação ou Trabalháveis Boas Propriedades de Fundição Alta ductilidade Baixa resistência mecânica Previsão através de: - Diagramas de Equilibro - Composição Química

Solidificação de Ligas de Al Flow chart to Aluminum alloy selection Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Flow chart to Aluminum alloy selection

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundição: elementos usualmente presentes 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)

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Diagramas de Equilíbrio Importantes Reação eutética  excelente fluidez e baixa contração na solidificação Al – Si Al – Cu Alta solubilidade sólida  maior resistência através de tratamentos térmicos Al – Mg

Solidificação de Ligas de Al Ligas de fundição mais utilizadas Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Diagrama Al-Si L   + L Al Si  +   L +  660 1430 T (oC) 577 12,6 Ponto Eutético Si 12,6 % T = 5770C Ligas de fundição mais utilizadas

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas Professor: Guilherme Verran Solidificação de Ligas de Al Diagrama de equilíbrio Al-Si (AFS – Aluminum Casting Technology, 1993)

Solidificação de Ligas de Al LIGAS DE Al PARA FUNDIÇÃO Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al DIAGRAMA Al-Si LIGAS DE Al PARA FUNDIÇÃO T (oC) Al  1430 L  Si 660  + Si 5770C Ligas de Fundição  Si - 5 a 24%

  L Al Si Ligas Hipereutéticas Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Excelentes propriedades de fundição Fragilidade em função da morfologia do Si Classificação das ligas Al-Si em função do teor de Si Ligas Eutéticas  Si L  Al T (oC) Ligas Hipoeutéticas 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 Aplicações especiais (alta resistência ao desgaste) Ligas Hipereutéticas

Maior região de solubilidade sólida Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al T (0C) Diagrama Al-Cu 6600C L Maior região de solubilidade sólida +L  5480C 33Cu 5,65Cu  + CuAl2 Ligas aceitam tratamento de solubilização Al  %Cu

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Reduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em ligas AlMgZn Cr Refinador de grão Incrementa a resistência à tração em ligas com Cu ou Si Mn Refinador de grão

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Refinador de grão Ti Incrementa a resistência à tração e a ductilidade Diminui a condutividade térmica Bo Ti - Bo Refinador de grão

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Sr – Na – Ca - St Modificadores do Si

Importância dos elementos de liga Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Importância dos elementos de liga Elementos que formam precipitados endurecedores: Fe Zn Ni Elementos que atuam como refinadores de grãos: Ti Bo Cr Mn

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades de Fundição Si Aumenta fluidez FUNDIBILIDADE Reduz a contração volumétrica externa Cu Reduz fluidez Provoca fragilidade a quente FUNDIBILIDADE Reduz a contração interna

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades de Fundição Mg Aumenta tendência a oxidação  formação de borras Fe Reduz aderência do metal à coquilha Elevados teores provocam fragilidade a quente e alta contração Zn

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Melhora estanqueidade Si Reduz coeficiente de expansão Melhora soldabilidade Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Endurecedor  aumenta a resistência mecânica nas ligas brutas de fusão e tratadas térmicamente Cu Reduz a resistência à corrosão Melhora a usinabilidade

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a usinabilidade Mg Permite as melhores combinações de resistência mecânica e à corrosão Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as ligas Al-Si tratáveis térmicamente

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos de Liga Propriedades dos Fundidos Pequenas adições (em combinação com o Mg) produzem boa resistência ao impacto, alta resistência à tração e excelente ductilidade Zn Melhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas Ni

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Influência dos Elementos sob a Forma de Impurezas Ni Diminui resistência à corrosão e endurece a matriz (forma intermetálicos) Aumenta oxidação do Al, as perdas na fusão e o ataque aos refratários (forma pontos duros) Zn Pb Não é miscível no Al líquido

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Si Dendritas de Solução Sólida (Al) Fe3SiAl2(claro) Liga Al5Si (443) Fundida em Areia Liga Hipoeutética

Solidificação de Ligas de Al Microestrutura das Ligas Hipoeutéticas Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al MATRIZ Microestrutura das Ligas Hipoeutéticas Dendritas Celulares de Al ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA Partículas de Si eutético Fe3SiAl2 Fe2 Si Tonalidade de Cinza

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg) Fundida em Coquilha A = Dendritas de Solução Sólida  D B = Rede Interdendrítica de CuAl2 (cinza claro) B A C C = Agulhas de Cu2FeAl7 (cinza médio) C D = Partículas de Si (cinza escuro)

Solidificação de Ligas de Al Modificação de Ligas Al-Si Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al 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 Al A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 5770C 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.

Solidificação de Ligas de Al Eutético Normal 12,6% Si T = 5770C Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Si L   + L Al  + Si L + Si 660 1430 T (oC) 12,6 14,2 Eutético Normal 12,6% Si T = 5770C Eutético Modificado 14,2% Si T = 5620C

Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em Moldes de Areia – HF – 100x Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em Moldes de Areia – HF – 100x Modificado com 0,025%Na Partículas de Si menores e arredondadas Bruto de Fusão Partículas aciculares de Si

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga Modificada com Na Propriedades Mecânicas da Liga A356 Bruta de Fusão e Modificada com Na em função do tamanho dos grãos.

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al 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 1,0 240 280 Liga (SAE) Composição Nominal esc (Mpa) max Alongamento (%) 360.0 Al9,5Si0,5Mg 324 3,0

Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al Ligas de Fundição Tratamentos do Banho Refino de Grão Modificação do Si Refino da Matriz () Refinamento e coalescimento das partículas de Si Coalescimento das partículas de Si e endurecumento por soluto Solubilização Precipitação (Envelhecimento) Tratamentos Térmicos Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP)

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg) F- Bruta de fusão (Investment Casting) rede interdendrítica de: Silício Eutético (cinza escuro e sharp) Cu2Mg8Si6Al5 (cinza claro, script) Fe2Si2Al9 (cinza médio, blades) Mg2 Si (preto) F- Modificada com 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)

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al 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

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg) Bruta de fusão (investment casting) região solidificada mais rapidamente (colocação de um resfriador) Constituintes são os mesmos, mas as dendritas celulares de  são menores e as partículas do Si eutético são menores e menos angulares. 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)

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Modificada pela adição de Na (0,025%) e Solubilizada Partículas de Si arredondadas e aglomeradas Solidificação de Ligas de Al Solubilizada a 5400C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares Bruta de Fusão em Areia - Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico

Solidificação de Ligas de Al Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Liga 357 (Al7Si0,5Mg) Bruta de Fusão (Premium Quality Casting) Rede interdendrítica de Si eutético (cinza); partículas de Mg2Si (preto) Sob maior aumento, observa-se pequenas partículas de Mg2Si não solubilizadas (prêto) T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente partículas de eutético e coalescidas aglomeradas pela solubilização

Solidificação de Ligas de Al Superfície de fratura (MEV) baixo aumento Disciplina: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Solidificação de Ligas de Al Heterogeneidades Microestruturais em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356) (d) (a) (b) (c) (e) Borda da amostra Estrutura mais refinada Centro da amostra Estrutura mais grosseira  = 12,6mm Superfície de fratura (MEV) baixo aumento HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009.