Refino de grão de alumínio da liga 356 com nucleantes a base de titânio



Baixar 28.29 Kb.
Encontro16.12.2017
Tamanho28.29 Kb.

Estudo do Refino Dendrítico Celular da Liga 356 usando Titânio e Boro como Nucleante

M.C. Baldin (1), G. M. Batista (1), G.O. Verran (1)



Centro de Ciências Tecnológicas - CCT - Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC - Rua Paulo Malschitzki, s/numero - Campus Universitário Prof. Avelino Marcante - Bairro Zona Industrial Norte - Joinville-SC - Brasil
CEP 89219-710

(1) Centro de Ciências Tecnológicas - Udesc



RESUMO
Na literatura relaciona-se o limite de escoamento com tamanho de grão, assim como, limite de resistência à tração e espaçamentos dendríticos. Na grande maioria das situações práticas é desejável que a estrutura bruta de solidificação se apresente na forma de grãos equiaxiais. Para desenvolver essas estruturas torna-se necessário impedir o crescimento colunar, através do controle da nucleação. No caso da adição de inoculantes para o refino de grãos, normalmente inocula-se o metal líquido através de ligas-mãe à base de titânio. A interação entre o titânio e o alumínio para formação do intermetálico TiAl­3, provoca a formação de eficientes substratos de nucleação. Neste estudo, diferentes percentuais de titânio foram adicionados na liga 356, com o objetivo de investigar a influência da quantidade de titânio sobre a microestrutura e macroestrutura, e as conseqüências destas alterações sobre o comportamento mecânico da liga. Os resultados obtidos indicaram forte influência do percentual de Ti adicionado sobre as estruturas resultantes.
Palavras-chaves: refino dendrítico, nucleantes, titânio, boro, alumínio 356
INTRODUÇÃO
As ligas Al-Si representam a grande maioria das ligas de fundição em alumínio, devido as suas características como: excelente fluidez, alta resistência à corrosão, boa soldabilidade, baixa contração na solidificação e baixo coeficiente de dilatação térmica. Quando as ligas Al-Si são fundidas em areia ou em molde permanente uma forma de melhorar suas propriedades de resistência mecânica, ductilidade e alongamento, é por meio de refino dos seus grãos. (1)

A liga de alumínio 356 é usada extensivamente em componentes de manufatura para a indústria automotiva e aeroespacial devido a suas propriedades físicas e mecânicas. São utilizadas em muitas aplicações estruturais que requerem uma alta resistência e baixo peso. Entretanto, para a obtenção de melhores propriedades, as ligas de alumínio precisam sofrer tratamentos no banho como refino de grão, modificação do eutético de silício e tratamento térmico.(2)

O refino de grão do alumínio através de inoculantes artificiais é uma prática corrente em fundições. A alta potência de refino de alumínio por meio de adições de titânio é fato comprovado e apresentado com frequência tanto na literatura quanto na utilização industrial. Além disso, parâmetros operacionais como temperatura de inoculação, temperatura de vazamento, tempo de retenção do banho após a inoculação e antes do vazamento e tempo de solidificação, são amplamente pesquisados e seus efeitos no grau de refino são constantemente estudados.(1)

Nucleação é um dos princípios básicos da solidificação dos metais, é o primeiro dentro uma seqüência lógica de correlações. Seu conceito é utilizado para explicar o surgimento da fase sólida dentro da fase líquida, promovendo o início da solidificação.(3)

A nucleação se baseia na existência dos chamados "embriões", que consistem no surgimento eventual e esporádico de grupos de átomos ordenados, segundo a estrutura cristalina do sólido e dentro da estrutura desordenada do metal líquido, mesmo quando todo o sistema se encontra acima da temperatura de transformação de fase sólido-líquido.

A nucleação heterogênea considera a formação de fase sólida com o auxílio energético de agentes estranhos ao sistema. Tais agentes podem ser partículas de impurezas, paredes do molde ou lingoteiras, inoculantes propositalmente adicionados, inclusões, etc.(3)

Dentre os mecanismo existentes os da nucleação heterogênea e o da multiplicação cristalina, são os mais efetivamente ativados através de processos e métodos economicamente viáveis. A multiplicação cristalina consiste em provocar a formação de grãos equiaxiais com base na quebra de ramos de dendritas ou na refusão da raiz dos ramos de dendritas.(3)

A interação entre o titânio e o alumínio para formação do intermetálico TiAl­3 permite a formulação da teoria do peritético, desenvolvida inicialmente por Crossley e Mondolfo, 1951, e aceita posteriormente por outros autores. A teoria peritética propõe que a ocorrência da reação peritética entre o alumínio líquido e partículas primárias de intermetálico TiAl3, provoca a formação de eficientes substratos pelo recobrimento dos cristais do intermetálico por uma camada de alumínio, via reação peritética.(4)

A reação peritética ocorre a 665ºC em ligas de alumínio contendo 0,15 - 1,15% de titânio, do seguinte modo:


TiAl3 + Líquido  α (sobre TiAl3)

(partículas primárias com 36% de Ti) (0,15% de Ti) (1,15% de Ti.)


Em condições práticas a fase primária TiAl3 pode se desintegrar parcialmente em cristais muito finos sobre os quais precipita a fase α. Estes cristais finos recobertos com a fase α são ideais para a solidificação subsequente, uma vez que se trata de alumínio (α) nucleando alumínio. O que não é bem entendido é como partículas de TiAl3 podem ser formadas quando o nível global de titânio é tão baixo como 0,01% ou menos. (4)
Materiais e Métodos
Inicialmente estudou-se o comportamento do Ti no metal líquido, para analisar se o mesmo mantém-se homogêneo em todo o volume do banho. Foram utilizadas ligas de Al 356 com porcentagens em massa iguais a 0,2%, 0,4% e 0,8%. Após o alumínio estar totalmente líquido, a 720ºC adicionou-se a liga-mãe contendo Ti, a temperatura do banho foi mantida nesta temperatura por 10 minutos para homogeneizar.

Em seguida foram realizadas corridas com intervalos de 10 minutos entre cada uma, a temperatura de vazamento foi de 720  10ºC, as corridas foram realizadas até que o Al líquido se esgotasse. Este procedimento foi realizado para cada liga em duas situações diferentes, com agitação mecânica e com o banho em repouso.

Foram obtidos 15 corpos de prova para cada amostragem (liga 356, 0,2%, 0,4% de Ti e uma liga com 0,2% de Ti e 0,02% de B). Utilizou-se um forno à indução Inductotherm Vip Power Track 30KW, o material foi fundido em um cadinho de carbeto de silício e vazado em uma coquilha de aço 1045. O metal foi vazado por gravidade no molde metálico a uma temperatura de 720 10ºC, controlada com termopar de imersão tipo K, com precisão de  1ºC.

Na liga líquida foi adicionado a liga-mãe Al-10Ti e Al-5Ti-1B em diferentes corridas, deixando o metal líquido em repouso por 10 minutos para a homogeneização. Momentos antes de vazar o metal na coquilha retira-se a escória presente no banho com o auxílio de um escorificante.

As amostras foram usinadas e submetidas a análises químicas via espectroscopia de emissão óptica usando um espectrômetro da UDESC. Foram feitas 3 medições para cada condição experimental.

O copo de prova resultante do processo de fundição possui as dimensões mostradas na Fig. 1.



group 2

Fig. 1: Corpo de prova cilíndrico para ensaio de tração.(5)


Os corpos de prova foram ensaiados na máquina universal de ensaios mecânicos EMIC 300KN do Laboratório Ensaios Mecânicos/DEM/UDESC, com velocidade do cabeçote para aplicação da carga de 5mm/min. Os procedimentos para ensaio seguem a norma ASTM E 8M-01. Os resultados obtidos de tensões e deformações foram utilizados para avaliar a resistência e ductilidade da composição a qual a liga foi submetida.

Para a caracterização microestrutural foi utilizado um microscópio óptico. As amostras foram lixadas e polidas com alumina com granulometria de 1μm. Após o polimento foi realizado ataque químico com reagente de Tucker para a análise das dendritas.

A análise das dendritas foi feita com o Software Analisys, onde a área média das dendritas foram mensuradas. A Fig. 2 apresenta a técnica utilizada para medição das dendritas.

Fig. 2: Exemplo da medição de dendritas no Software Analisys.



Resultados e Discussão
Inicialmente foram realizadas as análises químicas para verificar a homogeneidade do Ti no banho, e para verificar se as composições estavam condizentes com as porcentagens desejadas. As Fig. 3 e 4 apresentam os resultados das análises com adição de 0,4% e 0,2%+0,09% de Ti residual da liga.

Fig. 3: Concentração de Ti nas amostras em função do tempo, da liga com 0,4% de Ti.


Fig. 4: Concentração de Ti nas amostras em função do tempo, da liga com 0,2% de Ti.


Estas amostras foram as que apresentaram melhor homogeneidade, na liga contendo 0,8% de Ti, este se apresentou instável ao longo das análises, sendo totalmente descartado. Observa-se que com a redução da quantidade de Ti, este se torna mais homogêneo no banho, onde nem mesmo a agitação exerceu muita influencia. Devido a este fato, na continuidade dos os estudos foram utilizadas apenas as demais concentrações: 0,2% e 0,4% de Ti, e uma liga com 0,2 de Ti e 0,02% de B.

As análises das imagens obtidas pela metalografia apontaram um padrão na redução do tamanho dendrítico médio das amostras. Pode se observar que o tamanho das dendritas diminui com a adição de 0,2% de Ti e 0,2%+0,002% de B, mas cresceu com o aumento na porcentagem de Ti de 0,4%, algo que pode ter alguma correlação com a forma heterogênea com que se distribui no banho para ligas com alto teor de Ti.


Fig. 5: Gráfico da área das dendritas na liga 356, com e sem nucleantes.
Após realizou-se ensaios de tração para verificar a resistência mecânica das ligas e analisar a variação no limite de escoamento e alongamento das ligas em função da quantidade de Ti e B.

Fig. 6: Gráfico do alongamento da liga 356, com e sem nucleantes.

Fig. 7: Gráfico de tensão de escoamento da liga 356, com e sem nucleantes.
Os resultados obtidos não acusaram uma tendência esperada, pois, como revelou a análise das imagens metalográficas, os tamanhos das dendritas seguiram uma tendência. Esperava-se uma maior resistência mecânica para a liga com menor tamanho médio das dendritas, para a amostra contendo Boro, porém o maior de limite de escoamento ocorreu para a liga com 0,2% de Ti. Este comportamento pode estar associado com o fato de que os lotes de corpos de provas apresentam irregularidades internas, como microrechupes e bolha de gás, como pode ser observado na figura 8.

Fig. 8: Amostra com 0,4% Ti a apresentando porosidades, 100 x.


Conclusão
Os resultados obtidos até o presente confirmam o potencial do elemento Ti e da anteliga Ti-Bo como nucleantes efetivos durante a solidificação das ligas de alumínio de fundição conforme pode ser observado pela análise de imagens que permitiram quantificar os tamanhos das dendritas para as diferentes condições experimentais in. Os resultados dos ensaios mecânicos apresentaram alguns valores fora do padrão esperado, devido ao difícil controle de microrechupes e bolhas de gases em uma fundição laboratorial, onde a produção é muito pequena e pequenas variáveis de processo acabam exercendo grande influência no material final.
Referências
1. ROBERT, M. H. Comportamento de Aluminatos no Alumínio Líquido e Implicações para o Refino de Grão do Alumínio. 1979. 157 pág. Dissertação Mestre em Ciências, Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 1979.
2. DJURDJEVIC, M., JIANG, H., SOKOLOWSKI, J.H., “On-line Prediction of Aluminum - Silicon Eutectic Modification Level Using Thermal Analysis”, Materials Characterization, Vol.46, pp.31-38, 2001.
3. CUPINI, N. L. Desenvolvimento de um Processo para Refino de Grão do Alumínio Fundido Baseado na Aplicação de Recobrimentos Voláteis à Interface Metal/Molde. 1978. 259 pág. Tese Doutor em Engenharia Mecânica. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 1978.
4. CROSSLEY, F.A.; MONDOLFO, L.F. "Mechanism of grain refinement in aluminum alloys", Journal of Metals — Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers, vol. 191, pp. 1143-1148.
5. HASKEL, T. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga de Alumínio A356. Dissertação de Mestrado. PGCEM-UDESC. 2009.


Study of Alloy 356 Refining dendritic using Titanium and Boron as nucleating
ABSTRACT
In literature is related the yield strength with grain size, as well as limit tensile strength and dendritic spacing. In the majority of practical situations is desirable that the gross structure of solidification is present as equiaxed grains. To develop these structures it is necessary to prevent growth columnar by controlling the nucleation. In the case of adding inoculants for grain refinement, usually inoculated through the liquid metal alloy parent titanium-based. The interaction between the titanium and aluminum for forming the TiAl3 intermetallic, causes the formation of efficient substrates nucleation. In this study, different percentages of titanium alloy were added in 356, in order to investigate the influence of the amount of titanium on the microstructure and macrostructure, and the consequences of these changes on the mechanical behavior of the alloy. The results indicated a strong influence of the percentage of Ti added over the resulting structures.


Keywords: dendritic refining, nucleating, titanium, boron, aluminum 356

Compartilhe com seus amigos:


©ensaio.org 2017
enviar mensagem

    Página principal