Análise térmica e microestrutural dos efeitos do estrôncio na liga de alumínio-silício 226D

Silva N.1, a

, Silva P.1,b

1Alunos do 3.º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto

aemt08034@fe.up.pt,

bemt08026@fe.up.pt

Palavras-Chave: Modificação do Si eutético, Liga alumínio-silício 226D, Análise Térmica, Metalografia.

Resumo. Este trabalho consiste na investigação da influência de diferentes teores de estrôncio

nas propriedades de uma liga de alumínio-silício. A avaliação desta modificação vai ser feita

através de análise térmica e metalográfica. O efeito do estrôncio foi verificado quer na

modificação do Si eutéctico, quer nas temperaturas caraterísticas da liga. O teor ótimo da

adição de estrôncio é de 0.015%.

1.Introdução A produção de ligas fundidas de alumínio tem aumentado consideravelmente nas últimas

décadas. Ligas de alumínio fundidas devem conter, além de elementos endurecedores (Mg, Cu),

quantidades suficientes de elementos formadores de eutético (usualmente o silício), visando obter

uma maior fluidez. Ligas do sistema Alumínio-Silício são as mais importantes entre as ligas

fundidas de alumínio, principalmente por sua alta fluidez, baixa contração nos fundidos, elevada

resistência à corrosão, boa soldabilidade, fácil brasagem e seu baixo coeficiente de expansão

térmica. As ligas de alumínio com 5-20% de Si (percentagem em peso) são as mais comuns e as

mais usadas na indústria. A característica marcante destas ligas é que elas consistem de uma fase

primária, de alumínio ou de silício, e de uma estrutura eutética composta por esses 2 elementos. A

fundição em areia verde é um processo simples e versátil e de menor custo do que outros processos

de fundição. A microestrutura final de uma liga fundida é muito importante, pois influencia as suas

propriedades mecânicas. Grandes grãos colunares são indesejáveis e o refino e a modificação de

grão têm por objectivo suprimir a formação destes grãos [1].

O tratamento de modificação causa o desaparecimento dos cristais de silício primário, com a

formação nos extremos de silício eutético fino e globular em vez de uma estrutura em forma de

agulhas. Este tipo de liga pode apresentar um volume de eutético entre 50 a 90%.

Como o silício é um não-metal, solidifica de maneira facetada, isto é, forma um cristal limitado

por planos cristalográficos bem definidos e crescendo segundo uma direção preferencial. A Fig. 1a)

apresenta esquematicamente esse crescimento onde os átomos de silício são adicionados em planos.

Este cristal pode crescer facilmente na direcção <112>, e depois de formada a estrutura do cristal, a

face maior encontra-se no plano <111>, como é demonstrado na Fig. 1b).

Figura 1 - a) Representação esquemática do crescimento do silício em planos; b) crescimento de um cristal de silício

a partir do líquido segundo a direção <112>[2].

Deste modo, torna-se evidente que uma possível estrutura fibrosa deve crescer de maneira

diferente, sendo fácil e livre a ramificação. A diferença encontrada reside na quantidade de planos

de maclação encontrados entre os cristais de silício não modificados e modificados. As fibras de

silício modificado possuem uma quantidade muito superior de planos de maclação, em relação às

placas de silício não modificado. Como consequência disto, a superfície das fibras é microfacetada

e rugosa, pois há uma interação da grande quantidade de planos de maclação.

Para que haja alterações na quantidade de planos de maclação adicionam-se agentes

modificadores. A explicação para este mecanismo resulta dos átomos do agente modificador serem

absorvidos no plano durante o crescimento da interface líquido-sólido [2].

1.2 Características do modificador

Uma melhoria nas propriedades mecânicas está associada à estrutura modificada,

particularmente no caso das ligas eutéticas de alumínio-silício que adquirem um grau de

plasticidade elevado. No entanto existem algumas limitações do estrôncio como modificador, na

medida em que o estrôncio deve ser adicionado de acordo com critérios específicos para que os

resultados sejam satisfatórios, como mostramos na Tabela 1.

O tema geral deste trabalho foi com o intuito de realizar uma pesquisa mais profunda dos efeitos

do estrôncio na estrutura e nas propriedades das ligas de alumínio-silício eutéticas num plano mais

detalhado. Isto é particularmente importante antes da aplicação industrial da liga, uma vez que ainda

existem várias questões sem resposta [3].

Tabela 1 - Características do modificador, estrôncio. [2]

Estrôncio (Sr)

Tempo de contato 10 a 20 minutos

Fading

(desvanecimento) Lento (> 2horas)

Ambiente Limpo e livre de fumos

Sobre-modificação

Possível.

Consequência direta na perda

das propriedades mecânicas,

particularmente na ductilidade.

Poder de modificação Bom

Adição 250 ppm

Manuseamento Não sensível à humidade para

Sr < 20 %

2.Materiais e Procedimento Experimental

2.1 Liga utilizada

A liga que utilizada neste trabalho foi uma liga de Al-Si (226, também conhecida por AK 93 lc.).

Tabela 2 - Composição química das amostras da liga 226 utilizada neste trabalho e da liga de modificador.

Si

%

Fe

%

Cu

%

Mn

% Mg

%

Ni

%

Pb

%

Sn

%

Ti

%

Zn

%

Al

%

Sr

%

Liga

226* 8-11 1,2 2-3,5

0,1-

0,5

0,1-

0,5 0,3 0,2 0,1 0,15 1,2

Restan

te -

Liga

226

10,12 0,80 2,01 0,22 0,07 0,07 0,11 0,02 0,02 0,59 85,97 0

9,99 0,75 2,24 0,18 0,04 0,04 0,13 0,02 0,02 0,59 85,97 0,01

10,04 0,77 2,42 0,19 0,04 0,04 0,13 0,02 0,02 0,63 85,65 0,015

10,33 0,76 1,95 0,20 0,05 0,03 0,11 0,02 0,02 0,58 85,93 0,02

10,09 0,76 2,08 0,20 0,07 0,04 0,11 0,02 0,02 0,60 85,96 0,031

10,12 0,76 2,04 0,21 0,07 0,03 0,11 0,02 0,02 0,59 85,98 0,031

9,91 0,80 2,07 0,21 0,07 0.04 0,11 0,02 0,02 0,59 86,12 0,031

Liga

AlSr5 - - - - - - - - - - 95 5

*valores retirados do site http://www.limatherm.com. 1Amostras com o mesmo teor de estrôncio, mas ao fim de 10, 15 e 23 minutos respectivamente.

2.2 Procedimento experimental

2.2.1 Fusão e análise térmica

Procedeu-se à fusão da liga de alumínio-silício utilizada e quando todo o metal do forno estava

no estado líquido vazou-se, e com um termopar recolheu-se o comportamento da liga durante o

arrefecimento.

Adicionou-se uma barra de AlSr5 de modo a que a adição de estrôncio fosse de 0,03% em

relação ao metal fundido. Retirou-se uma amostra ao fim de 10, 15 e 23 minutos de modo a

controlar o tempo de incubação do estrôncio. Passados 30 minutos vazou-se novamente, contendo

este vazamento um teor de 0,03% de estrôncio com o tempo de incubação máximo.

Acrescentou-se metal ao forno de modo a que o teor em estrôncio baixa-se de 0,03% para 0,02%,

de 0,02% para 0,015%, de 0,015% para 0,01% e entre cada adição de metal vazaram-se 4 provetes e

uma amostra para estudar o arrefecimento.

Para o estudo do arrefecimento utilizou-se o programa AT Genérica, onde se identificou todas as

fases, temperaturas de início e fim de transformação e tempos.

2.2.2 Análise química e microestrutura

Cortaram-se amostras para análise química através do método de espectroscopia de emissão

atómica, para determinar os teores exatos de todos os elementos da liga.

Retiraram-se amostras para a análise da microestrutura, para posteriormente se proceder à

comparação do silício modificado e à quantificação do Al-α. A série de lixas utilizadas para o

desbaste foi 320, 600, 1000 mesh, e para o acabamento foi 6, 1 e 0,5µm.

3.Resultados e Discussão

3.1Análise Térmica

Em relação à análise térmica da nossa liga, começamos por ilustrar na Fig. 2, a curva de

arrefecimento e a sua derivada, de modo a ser possível identificar os pontos caraterísticos da nossa

liga, principalmente próximo do ponto eutéctico, pois é a modificação do Si eutético que vamos

considerar como objeto fulcral, desta análise.

Figura 2 – Curva de arrefecimento e sua derivada, relativas à amostra com 0% Sr.

De seguida vamos apresentar na Tabela 3 os pontos importantes da modificação do Si

eutético, com os números associados e respectivas designações. Estes pontos são específicos de

cada liga e para cada adição de estrôncio. A influência da adição de diferentes quantidades de

estrôncio na curva de arrefecimento da liga é mostrada na Fig. 3.

Os parâmetros importantes da solidificação, tais como, a temperatura de nucleação (TN), a

temperatura mínima (Tmin) que é retirada do máximo da primeira derivada, a temperatura de

crescimento do Al-Si eutético (TG) que se obtém quando a curva da primeira derivada interseta o

ponto 0 a seguir ao máximo, e os tempos de começo destas transformações estão sumarizados na

Tabela 4.

Tabela 3 – Temperaturas e tempos característicos da liga de Al-Si estudada (simbolo e descrição) [4].

4 TN Temperatura de nucleação do Al-Si eutético

tN Tempo de nucleação do Al-Si eutético

5 Tmin Temperatura mínima do Al-Si eutético

tmin Tempo correspondente à temperatura mínima do Al-Si eutético

6 TG Temperatura de crescimento do Al-Si eutético

tG Tempo de crescimento do Al-Si eutético

ΔTE,G Somatório da diferença de temperaturas de crescimento do Al-Si eutético

TRecalescência Diferença entre a temperatura de crescimento e a temperatura mínima do

Al-Si eutético

400

450

500

550

600

650

700

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Tem

pe

ratu

ra (

oC

)

dT/

dt

(oC

/s)

Tempo (s)

5

4 6

Figura 3 – Curvas de arrefecimento da lida de Al-Si para diferentes adições de estrôncio.

Tabela 4 – Temperaturas e tempos caraterísticos das diferentes adições de estrôncio para a liga de Al-Si.

Sr (%) TN tN Tmin tmin TG tG ΔTE,G TRecalescência

0 573,5 69 573,8 101 573,9 103 0 0,1

0,01 582,6 88 573,4 142 573,7 167 0,2 0,3

0,015 568,9 212 562,1 322 562,8 420 10,7 0,7

0,02 567,8 291 561,6 400 561,7 412 11,8 0,1

0,03 565 142,8 561,2 196,8 561,3 204,8 12,2 0,1

Figura 4 – Mudanças da temperatura de nucleação, da temperatura mínima e da temperatura de nucleação vs. Adição de

Sr.

A temperatura de nucleação (TN) do eutético tem um mínimo de 565 ºC para adições de

estrôncio de 0.03% e obtém um máximo de 582.6ºC para 0.01%. A razão para este mínimo é

explicada pela absorção do estrôncio na interface entre o silício e o alumínio líquido. O estrôncio

550552554556558560562564566568570572574576578580582584

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tem

pe

ratu

ra (

oC

)

Tempo (s)

0% 0,015%

0,03% 0,01%

0,02%

560

565

570

575

580

585

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Tem

pe

ratu

ra (

oC

)

% Sr

TN, Eut. (ºC)

Tmin, Eut. (ºC)

TG, Eut. (ºC)

tem um efeito de envenenamento sobre o crescimento do silicio, o que o impede de crescer

gradualmente. Ao diminuir a temperatura de nucleação numa taxa de crescimento equivalente,

suprime o crescimento do silício na solificação do Al-Si eutético, e por outro lado, a geminação

induzida das partículas de silício oferece um crescimento continuo segundo uma direção. O

estrôncio reduz ainda a tensão superficial do alumínio e modifica a energia de superficie da

interface Al-Si [4].

Em relação à temperatura mínima (Tmin), esta é determinada usando a primeira derivada da

curva de arrefecimento, ou seja, ela indica o ponto onde os cristais de silício começam a crescer

juntamento com o alumínio. Tmin diminui desde 573.8ºC (para 0% Sr) até 561.2ºC (para 0.03% Sr),

que nos dá a indicação que tivemos uma redução de 12.7ºC da tenmperatura mínima do crescimento

do eutético.

A temperatura de crescimento do Al-Si eutético é uma caraterística importante da

temperatura de solificação das ligas de Al-Si [4]. Baseado nos resultados presentes na Tabela 4,

vimos que a temperatura diminui de 573,9ºC (para 0% Sr) para 561.3ºC (para 0.03% Sr), sendo esta

diminuição pouco relativa a partir do ponto de 0,01% até 0,03% de adição de estrôncio.

Figura 5 - Mudanças do crescimento do silicio eutético em função do teor de estrôncio

Figura 6 - Efeito do estrôncio na recalescência da reacção eutética, respetivamente.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

ΔT E

,G (

oC

)

% Sr

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

T re

cale

scên

cia

% Sr

São apresentadas na Fig. 5 alterações do crescimento do silício eutético em função do teor

de estrôncio. Estes valores são apresentados como a diferença entre a temperatura de crescimento

eutético (TG) de uma liga não-modificada e de uma liga modificada com diferentes teores de

estrôncio. A diferença apresenta valores desde 0 até 12,2ºC, desde teores de estrôncio de 0% até

0.03%. Quanto maior a adição de estrôncio, menor é a alteração provocada na microestrututa, mas a

temperatura eutética sofre um aumento [4].

A recalescência e determinada pela diferença entre a temperatura de crescimento do eutético

(TG) e a temperatura mínima (Tmin) da liga estudada (ΔTRecalescência = TG- Tmin). O efeito da

recalescência está descrito na Fig. 6.

Para se poder determinar a adição ótima de estroncio, temos de verificar uma diminuição da

temperatura de crescimento eutético, um aumento do ΔTE,G, comparado com a liga nao modificada.

Temos ainda um aumento da recalescência durante toda a modificação [4].

Com isto, podemos afirmar que a adição ótima de estrôncio é de 0,015%, pois é o ponto que

cumpre todos estes parâmetros.

3.2 Análise Microestrutural

A evolução das microestruturas para as diferentes adições de estrôncio permite-nos a

visualização da modificação do silício eutético para os diferentes teores de estrôncio adicionados à

liga Al-Si.

Figura 7 e 8 - Microestrutura de uma liga Al–Si com 0% e 0,015% de Sr, respetivamente.

De acordo com as microestruturas obtidas, é possível verificar que na Fig. 7, com 0% Sr, o

silício eutético apresenta-se sobre a forma de agulhas. Na Fig. 8, a microestrutura apresentada

teoricamente com 0,015% Sr adicionado, verifica-se desde logo, todo o silício eutético já se

encontra modificado, distribuído de forma menos compacta por toda a matriz de Al-α, com

geometria arredondada.

A influência da adição de estrôncio, não é só visível na modificação do silício eutético,

pode-se ainda quantificar, com recurso ao ImageJ, a percentagem de Al-α presente ao longo da

adição do modificador.

Figura 9 e 10 - Microestrutura de uma liga Al-Si, com 0% de Sr e respectiva imagem da microestrutura tratada, através

do programa ImageJ, de modo a quantificar a Al-α que se encontra a negro.

Devido à compactabilidade do silicío eutético sobre a forma de agulhas, é possível verificar

que existe uma grande área a preto na Fig. 10, referente ao Al-α. As adições do modificador iram

influenciar a quantidade de Al-α como é possível verificar na Fig. 11.

Figura 11 - Quantificação da fase Al-α para diferentes adições de Sr.

O teor da fase Al-α é directamente influenciada com adição de estrôncio. Para uma liga Al-Si

não modificada, o silicío eutético apresenta-se compactado sobre a forma de agulhas, Fig. 7. Com

adição de diferentes teores de estrôncio o silício eutético vai sendo modificado, apresentando-se

menos compactado com uma geometria arredondada sobre uma matriz Al-α, visível na Fig. 8. De

acordo com o que foi referido era esperado verificar um aumento do Al-α desde Al-Si com 0% a

0,03% Sr, no entando isto não é visível na Fig. 11, uma vez que o procedimento foi realizado

fazendo uma diluição do teor de estrôncio e não uma adição deste elemento modificador de modo a

aumentar o seu teor no banho.

4. Conclusões

Sendo assim, podemos tirar as conclusões do nosso trabalho, de modo a reportar todos os aspetos

relativos às temperaturas de transformação do eutéctico e à modificação da microestrutura,

provocadas pela adição de estrôncio. Os resultados estão sumarizados seguidamente.

a) As temperaturas de nucleação (TN), mínimas (Tmin) e crescimento (TG) diminuem 4,4, 11,7

e 11,1ºC respetivamente em relação à quantidade ótima de adição de estrôncio (0.015%). O

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

% d

e A

l-α

% de Sr

ΔTE,G aumenta 10,7ºC em relação à mesma quantidade de estrôncio adicionado. A

recalescência sofre um aumento desde 0 até 0.015%.

b) Relativamente à modificação do Si eutéctico, através da análise das microestruturas observa-

se uma mudança de forma de acicular para arredondada com o aumento do teor de estrôncio.

c) Quanto à quantificação da fase Al-α, os resultados obtidos foram os esperados, ou seja,

houve um aumento da quantidade à medida que se aumentou o teor em estrôncio, com a

exceção da diminuição dos valores de 0% para 0.01%, que pode ser explicada pelo

desconhecimento do tempo ideal de incubação do estrôncio.

d) Como não foi possível na análise química recolher os dados relativos aos teores reais de

estrôncio presente nas amostras, todos os valores usados são os valores calculados no início

do trabalho, ou seja, os valores teóricos.

5.Agradecimentos

Os autores agradecem ao CINFU pela disponibilidade, materiais, equipamento e instalações, e ao

Engenheiro Bruno Fragoso pela sua disponibilidade, prontidão e orientação no desenvolvimento do

trabalho realizado.

6.Bibliografia

[1] G. F. C. Almeida, A. A. Couto, B. P. Severino, A. Cabral Neto, J. Vatavuk, K. B. S. C.

Machado, Estudo de ligas Al-Si fundidas em molde de areia verde: Efeito da adição de refinador e

de modificadores de grão nas propriedades mecânicas, (2008).

[2] H. Puga, J. Barbosa, C. S. Ribeiro, Afinação de grão e modificação do silício eutéctico da

liga 356 por ultra-sons, revista Fundição 258. (2010) 16-17.

[3] M. M. Haque, Effects of strontium on the strcture and properties of aluminium-silicon alloys,

Journal of Materials Processing Technology 55 (1995) 193-198.

[4] S. G. Shabestari, S. Ghodrat, Assessment of modification and formation of intermetallic

compounds in aluminium alloy using termal analysis, Materials Science and Engineering A 467

(2007) 150-158.