Metalografia e Tratamento Térmico

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Elementos de liga

Efeito do cobre nas ligas de alumínio

O cobre possui máxima solubilidade de 5,65%p no alumínio, sendo que a composição do eutético é 33,2%p. A microestrutura na composição eutética é α+θ, sendo o teta formado por um intermetálico Al2Cu. Abaixo a Figura 2.2 mostra o diagrama de fase, obtido através do software Thermocalc, abrangendo a transformação eutética Al-Cu.

Figura A - Diagrama de fase Al-Cu obtido pelo software ThermoCalc.

Fonte: Arquivo Pessoal

Se fabricarmos uma liga de alumínio (Al) com cobre (Cu) e submetermos essa liga a processos especiais de tratamento térmico, esse material terá uma resistência à tração equivalente e até maior que a de alguns aços de baixo teor de carbono. Além disso, ela apresenta uma ótima usinabilidade. Devido à alta relação entre resistência (maior) e peso (menor), essa liga é indicada para a indústria aeronáutica e automobilística, na fabricação de rodas de caminhões, na estrutura e revestimento de asas e rodas de aviões. É indicada também para peças que devem suportar temperaturas ao redor de 150ºC.

O cobre é o principal constituinte endurecedor das ligas de alumínio. Diminui a contração, melhora a usinabilidade. Essas ligas apresentam baixa resistência à corrosão.

Efeito do silício nas ligas de alumínio

A solubilidade do silício no alumínio é pequena, da ordem de 1,55%. Este sistema apresenta uma liga eutética com 12,5% de Si, a 577 ºC, como mostrado no diagrama de fase Al-Si na Figura 2.3, obtido pelo software Thermocalc, mostrando a transformação eutética ate a composição de 20%p de silício.

Figura 2.3 - Diagrama de fase Al-Si obtido pelo software ThermoCalc.

Fonte: Arquivo Pessoal.

A liga de alumínio/silício (Si) apresenta baixo ponto de fusão e boa resistência à corrosão. Quando o teor de silício é elevado (em torno de 12%), a liga se torna adequada para produzir peças fundidas. Ela também é indicada como material de enchimento em processos de soldagem e brasagem. Brasagem, ou solda forte, é o processo de união de metais no qual o material de adição sempre se funde a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão das peças a serem unidas.

O cobre é o principal constituinte endurecedor das ligas de alumínio. Diminui a contração, melhora a usinabilidade. Essas ligas apresentam baixa resistência à corrosão.

Efeito do ferro nas ligas de alumínio

A solubilidade do Fe sólido no Al é muito baixa (α-Al) a fase-θ, ou Al13Fe4 existe na forma de equilíbrio numa única fase (GRIGER e STEFÁNIAY, 1996). A temperatura ambiente a fase-θ pode aparecer como um composto cristalizado primário associado ao constituinte eutético [θ + (α+θ)] para ligas de composição hipereutéticas, como uma fase da formação do eutético [α+θ] para ligas de composição eutética, ou como uma fase da formação do eutético associado à fase α [α+ (α+θ)] para ligas hipoeutéticas, dependendo do teor de Fe e das condições de resfriamento. Por outro lado, quando a liga for submetida ao tratamento de envelhecimento poderá coalescer e surgir dissolvida na matriz de Al-α. Abaixo na Figura 2.4, mostra o diagrama de fase Al-Fe, obtido pelo software Thermocalc, até a composição de 2,6%p de ferro da transformação eutetica Al-Fe.

Figura 2.4 - Diagrama de fase Al-Fe obtido pelo software ThermoCalc.

Fonte: Arquivo Pessoal.

O ferro é certamente a impureza mais comum e inevitável nas ligas de alumínio. Tem sua origem presente em pequenos teores no minério de bauxita, no silício que é adicionado como principal elemento de liga, além de existir contaminações durante o manuseio do material líquido através de conchas, escumadeiras, calhas de vazamento entre outros.

O ferro reage físico-quimicamente com o alumínio líquido gerando aderência do metal em matrizes metálicas, cujo fenômeno é conhecido tecnicamente como soldagem.

A solubilidade do ferro no alumínio é baixa. Além disso ele reduz a contração, atua como refinador de grão e diminui a adesão à matriz em fundição sob pressão.

Efeito do zircônio nas ligas de alumínio

A máxima solubilidade do zircônio no alumínio é de 0,27%p, que corresponde o teor máximo dentro da faixa onde ocorre a transformação peritética, como representado no diagrama de fases da Figura 2.5 obtido pelo software Thermocalc. Adições de zircônio na faixa de 0,1 e 0,3% são usadas para a formação de precipitados refinados de partículas intermetálicas, que inibem a recuperação e a recristalização. Um elevado número de ligas, particularmente as da família Al-Zn-Mg, usa adições de zircônio para aumentar a temperatura de recristalização e para controlar a estrutura dos grãos em produtos trabalhados (ASM INTERNATIONAL, 1998).

Figura 2.5 - Diagrama de fase Al-Zr obtido pelo software ThermoCalc

Fonte: Arquivo pessoal.

Estruturas características da solidificação unidirecional

A macroestrutura permite que seja feito um estudo relacionado à estrutura bruta de fusão. Quando o metal é vazado na forma líquida em uma lingoteira e entra em contato com a parede da mesma, é sub-resfriado e ocorre a nucleação dos grãos (GARCIA, 2007).

A macroestrutura de solidificação de peças fundidas ou lingotes pode apresentar-se na forma de grãos completamente colunares ou totalmente equiaxiais, dependendo da composição química da liga e das condições de solidificação. Uma forma estrutural mais complexa é composta pelas duas zonas estruturais. Essa forma mista de solidificação ocorre quando os grãos equiaxiais encontram condições de nuclear e crescer no líquido, à frente da fronteira colunar de crescimento, provocando a transição colunar/equiaxial (TCE), conforme ilustrado nas figuras abaixo:

Figura x - Zonas macroestruturais em lingote solidificado unidirecionalmente.

[pic 2]

Fonte: GOULART, 2010.

Figura y - Macroestrutura do lingote solidificado unidirecionalmente da liga Al-0,05%Cu-0,4%Fe-0,15%Zr.