Ligas de alumínio fundidas

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1
Ligas de alumínio para fundição
Relações entre o processo de fundição e a 
microestrutura 
Marcelo F. Moreira
Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT
Escola de Engenharia Mauá
(011) 37674170 e-mail: mfmoreir@ipt.br
2
Fundidos de alumínio
transportes 
bens de 
capital
util. 
Domesticas
exportação 
Mercado das ligas de alumínio fundidas
2
3
Aplicações das ligas de alumínio
┐ Por questões de 
demanda, segurança 
e conforto, a massa 
dos veículos vem 
aumentando nos 
últimos anos.
4
Aplicações das ligas de alumínio
┐ Para reverter ou 
compensar o 
aumento do consumo 
e das emissões, é 
necessário reduzir a 
massa do veículo. 
As ligas de Al fundidas são empregadas em componentes 
do motor, da suspensão e da estrutura.
3
5
Aplicações das ligas de alumínio
┐ A redução de 100 kg em 
um automóvel a gasolina 
resulta em:
┐ redução de 9 g de CO2 por 
km e 
┐ uma redução do consumo 
de 0,4 litros para cada 100 
km.
6
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes do motor (bloco, cabeçote, pistões 
tampas, carcaças e suportes)
4
7
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes de suspensão fundidos
Componentes de suspensão fundidos 
em coquilha (A357 T6)
8
Aplicações das ligas de alumínio fundidas
Componentes estruturais fundidos por 
gravidade em liga A356 T6 utilizados no 
“space frame” da F360 
5
9
Importância dos fundidos
ABAL 2007 
┐ Fundição sob pressão 38%
┐ Fundição por gravidade 34%
┐ Fundição por baixa pressão 4%
┐ Laminados 48%
┐ Extrudados 17%
┐ Fios e cabos 8%
┐ Pó 2%
┐ Outros 5%
* 63% deste total é produzido com alumínio reciclado 
Produtos 
fundidos
20%
Produtos 
conformados
80%
10
Ligas de alumínio fundidas
Endurecidas por meio 
dos tratamentos 
térmicos de 
solubilização e 
envelhecimento 
6
11
Ligas Al-Si 
┐ Mais de 95% dos componentes fundidos de alumínio são 
produzidos com ligas do sistema Al-Si: 
AA SAE Processo Aplicações
B 380 306 Injeção Carcaças, corpos e suportes injetados. 
319, 380 326 Coquilha e areia Cabeçotes, carter estrutural. 
339, 336 321 Coquilha Pistões e polias.
413 305 Coquilha Rodas e componentes de geometria 
complexa.
A356, A357 323 Baixa pressão Rodas, suportes, componentes de suspensão 
e cabeçotes.
12
┐ Família das ligas Al-Si (4xx):
 Liga 413: Al - 11 a 13%Si
┐ Família das ligas Al-Si-Mg (3xx): 
 Liga 356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,50%Fe
 Liga A356: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,20 a 0,45%Mg e até 0,20%Fe
 Liga A357: Al- 6,5 a 7,5 %Si; 0,40 a 0,60%Mg e até 0,20%Fe
┐ Família das ligas Al-Si-Cu (3xx):
 Liga 319: Al- 5,5 a 6,5%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
 Liga 380: Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 0,60%Fe
 Liga 380 (injeção): Al- 7,5 a 9,0%Si; 3,0 a 4,0%Cu e até 1,2%Fe
Ligas de alumínio fundidas
7
13
Características gerais das ligas Al-Si
┐ Baixa densidade (2,7 g/cm3), 
┐ Resistência moderada após tratamento térmico (LE ~ 250-
350 MPa); 
┐ Baixa temperatura de fusão (permite fundição em moldes 
metálicos);
┐ Elevada fluidez, devido a presença de Si;
┐ Baixa tendência à trincas de solidificação (devido ao Si); 
┐ Elevado coeficiente de transmissão de calor. 
14
┐ Propriedades de interesse em projetos mecânicos:
Material Condutividade 
térmica
k (W/m.°C) 
Limite de 
escoamento
LE (MPa)
E
(GPa)
KIC
(MPa.m1/2)
Densidade 
 (kg/cm3)
Al-Si (A356) 145 250 – 350 72 16 - 27 2,7
Ferro fundido cinzento 
(FF 30)
47 - 56 220 120 17 - 21 7,6
Ferro fundido 
vermicular 
32 - 36 500 165 32 - 46 7,6
Ferro fundido nodular 35 - 42 600 170 33 - 54 7,6
Aço BLAR 50 - 52 800 210 43 - 50 7,8
Aço inoxidável 304 14 - 17 600 195 119 - 228 7,9
Características gerais das ligas Al-Si
8
15
1,0

LE
Ligas de Mg (150 MPa)
Ligas de Al (300 MPa)
Aços (800 MPa)
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
Propriedades de interesse das ligas Al-Si
16
9
17
Características gerais das ligas Al-Si
┐ Três características terão efeitos adversos sobre 
o processo de fundição: 
1. Elevada contração de solidificação que 
implicará no uso de massalotes;
18
Contração sólido-liquido
┐ A maioria dos metais 
apresenta um volume maior 
no estado líquido que no 
estado sólido.
┐ Assim, durante a solidificação, 
ocorre uma redução de 
volume e o componente 
fundido fica menor que a 
cavidade do molde. 
10
19
Contração sólido-liquido
Rechupes
┐ As regiões de maior módulo (relação 
entre volume e área) serão as 
últimas regiões a se solidificar.
┐ Quando estas regiões de líquido se 
solidificarem sofrerão uma 
contração, resultando em vazios 
internos denominados rechupes.
┐ Os rechupes são evitados com a 
alimentação destes volumes com 
metal líquido para compensar a 
contração. 
Rechupe sob raios X 
Simulação solidificação
20
Contração sólido-liquido
Massalotes
┐ Os massalotes são os 
“reservatórios” de metal líquido 
para alimentar a contração em 
várias regiões do fundido.
┐ Para que o massalote alimente a 
contração de solidificação, ele 
deve possuir o maior módulo ou 
deve estar isolado 
termicamente, de modo a ser a 
última região a se solidificar.
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/RX_rechupe.avi
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/Simulações_MAGMA/Caracol/solid_v01_a.avi
11
21
Características gerais das ligas Al-Si
2. Elevada reatividade com o oxigênio no estado 
líquido (sensibilidade à turbulência no metal 
líquido); 
3. Elevada solubilidade de H no estado líquido e 
reduzida no estado sólido que resulta em 
elevada tendência à formação de 
microporosidades.
Tratamento do metal líquido
22
┐ A fundição de componentes de qualidade elevada 
(“premium quality castings”) envolve a seleção de ligas 
contendo baixo teor de Fe (<0,2%), submetidas aos 
tratamentos de modificação do eutético Al-Si, de refino 
de grãos, de desgaseificação e limpeza e retenção de 
inclusões de óxidos.
┐ Estes fundidos são produzidos em moldes metálicos e 
tratados termicamente (T6).
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para 
fundição
12
23
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para 
fundição
┐ Fluxograma do processo de fundição para de componentes 
“premium quality castings”:
Liga A356/A357
Fe < 0,20%
Modificação com Sr
Sr = 60 -150 ppm
Refino de grãos com 
Al-5Ti-1B
%Ti ~0,15%
Desgaseificação em rotor 
com N2 ou Ar UP 
7 minutos 
Escorificação e 
vazamento sem 
turbulência 
Fundição em 
molde metálico 
SDAS entre 20 e 40 
m
Solubilização e envelhecimento T6
24
Exemplo de micrografia
A357 (cabeçote G&W Q= 419 MPa)
25 x 
100 x 400 x 
200 x 
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/Fundição em coquilha/coquilha_basculante_macho_metálico.wmv
13
Microestruturas características das ligas 
de alumínio fundidas 
26
Al
Te
m
p
e
ra
tu
ra
%Si
Liquido
 + Si

 + L
12,5
7%Si; 0,2% Fe
0,3% - 0,5% Mg
7
A356
A357
Microestrutura típica das ligas Al-Si 
 + Si
11%Si , 0,2% Fe
413
14
27
Liga A356 (7%Si+0,35%Mg) com 
tratamento térmico
Liga A413 (11%Si sem tratamento 
térmico
200 x 200 x
Microestrutura típica das ligas Al-Si 
28
Dendritas da fase 
Núcleos da fase 

líquido
600°C
15
29
Dendritas da fase 
Crescimento de 
dendritas de 
líquido
595°C
30
Dendritas da fase 
líquido
Crescimento de 
dendritas de 
590°C
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/Solidificação/solid_dendritica.mpeg
16
31
Dendritas da fase 
líquido
Crescimento de 
dendritas de 
585°C
SDAS
SDAS
32
Dendritas da fase 
580°C
Líquido de 
composição 
eutética
Crescimento de 
dendritas de 
17
33
Eutético  - Si
Formação de 
células eutéticas
L  Al + Si
577°C
34
Eutético  - Si
Crescimento das 
células eutéticas
L  + Si
577°C
18
35
Eutético  - Si
Crescimento das 
células eutéticas
L  + Si
577°C
36
Eutéticos secundários ( + Mg2Si) ( + CuAl2) 
( + Al5FeSi)
Solidificação dos 
eutéticos 
secundáriosnos 
contornos de 
células eutéticas
570°C
19
37
Microestrutura Típica
A356
Dendritas de fase 
MEV
38
Microestrutura Típica
A356
Eutético modificado  + Si
MEV - Ataque profundo
20
39
Microestrutura Típica
A356
1200 x
Mg2Si
Si
Mg2Si
 = Al8FeMg3Si6
Eutético  + Si
100 x
 
Microestrutura Típica
A356
┐ O processo de fratura 
ocorre nas regiões 
intercelulares onde existe a 
precipitação dos eutéticos à 
base de Fe e cobre 
(contornos de células 
eutéticas).
40100 x
21
41
O problema dos intermetálicos à base de Fe
┐ A contaminação por Fe é 
inevitável e é crescente com a 
manipulação do banho metálico;
┐ A morfologia em placa do -
Al5FeSi não é alterada pelo 
tratamento térmico de 
solubilização. 
┐ Existe uma redução drástica de 
qualidade (Q index) com o 
aumento do teor de Fe. 
125 x
Em massa: 0,2% Fe = 0,47% -Al5FeSi
Microestrutura Típica
A356
┐ Os eutéticos à base de Fe não 
são dissolvidos pelos 
tratamentos térmicos. 
┐ Assim, o teor de Fe na liga 
determina a fração 
volumétrica destes eutéticos, 
e conseqüentemente, a 
ductilidade máxima da liga. 
42
100 x
Superfície de fratura em liga com 
alto teor de Fe (1,3%)
22
Tratamentos de metal líquido 
realizados em ligas Al-Si para 
fundição 
44
┐ Em ligas Al-Si comerciais aplicam-se os seguintes 
tratamentos de metal líquido:
┐ Desgaseificação;
┐ Modificação do eutético Al-Si;
┐ Refino de grãos e
┐ Limpeza e retenção de inclusões de óxidos.
Tratamentos realizados nas ligas Al-Si para 
fundição
23
Desgaseificação 
46
Formação das microporosidades
┐ O alumínio líquido apresenta elevada solubilidade de 
hidrogênio (H). A forma mais comum de absorção de 
hidrogênio decorre da umidade do ar, pela reação:
H2O (v)+ 2/3 Al (L) 1/3 Al2O3 + 2H
Hidrogênio dissolvido 
no metal líquido
24
47
Formação das microporosidades
Elevada solubilidade de H no 
estado líquido e baixa no estado 
sólido (somente 5% do H é solúvel 
no sólido);
Conseqüência é uma elevada 
tendência à formação de 
microporosidades na peça 
solidificada.
48
Efeito das microporosidades
 Microporosidades dispersas homogeneamente pelo fundido (decorrentes 
do elevado teor de hidrogênio no líquido).
50 x
25
Efeito das microporosidades
┐ A presença de 
microporosidades 
decorrentes de 
hidrogênio promove 
redução da ductilidade 
(A%), da resistência 
mecânica (LE 0,2% e LR) e 
da resistência à fadiga.
49
Desgaseificação
┐ Desgaseificação com gás nitrogênio e rotor:
┐ Promove a geração de uma “nuvem” de bolhas de nitrogênio 
de pequeno diâmetro com maior tempo de permanência no 
banho e pequena agitação da superfície (turbulência). 
┐ O processo possui elevada eficiência de desgaseificação 
(remoção de hidrogênio dissolvido no líquido) e na limpeza de 
inclusões de óxidos em suspensão.
50
26
51
Desgaseificação
Rotor de desgaseificação sobre o 
forno de espera
Demonstração do rotor de 
desgaseificação em água
52
Desgaseificação
Al líquido
Como a atividade de hidrogênio 
no banho de Al é maior que no 
gás (N2), ocorre difusão de 
hidrogênio do banho para a 
bolha de nitrogênio. 
Rotor 
desgasseificador
N2
N2
H
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/Desgaseificação/Desgaseificação rotor _ liga Al-Si.wmv
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Fundição/Desgaseificação/rotor_água.MPG
27
53
Efeito do tempo de desgaseificação (min) em rotor sobre a macroestrutura 
de corpos-de-prova solidificados sob vácuo.
Desgaseificação
Tempos em minutos
0 – após fusão
2 – 2 minutos de rotor
3 – 3 minutos de rotor 
4 – 4 minutos de rotor
6 – 6 minutos de rotor 
7 – 7 minutos de rotor
Modificação do eutético Al-Si 
28
55
┐ Efeito da modificação do eutético Al-Si:
┐ Diminui o tamanho das partículas de silício do eutético e 
altera a morfologia destas partículas de acicular para 
fibrosa,
┐ A alteração de morfologia e o refino das partículas aumenta 
a ductilidade das ligas e 
┐ Efeito colateral importante: aumento do nível de 
microporosidades.
Modificação do eutético
Ligas fundidas Al-Si
56
┐ Modificação do eutético Al-Si com Estrôncio (Sr):
┐ Adição típica 0,01% Sr na forma de ante liga Al-10% Sr,
┐ Baixa reatividade com cadinhos,
┐ Baixa pressão de vapor tornando o efeito do 
tratamento longo (de 2 a 4 horas),
┐ Apresenta problemas de supermodificação para 
adições superiores a 0,025%.
Modificação do eutético
Ligas fundidas Al-Si
29
57
Modificação do eutético Al-Si
Adição de Al-10%Sr
Banho de Al líquido
Sino de grafita Adição de Al-10Sr por meio de 
sino de grafita no banho de Al
Adição típica: 100 g de Al-10Sr 
para 100 kg de liga
58
Modificação do eutético
MO
Estrutura do eutético
Liga: Al- 7% Si –0,3% Mg (A356) Liga: Al – 11%Si (A413) 
LR 
[MPa]
A%
[%]
LR
[MPa]
A%
[%]
Acicular
(sem modificação)
140 4 120 4
Fibrosa
(modificada)
150 12 130 14
30
59
Modificação do eutético Al-Si
MO
┐ Tratamento de modificação:
Sem modificação Modificado com Sr
200 x 200 x
60
250 x
2000 x
Modificação do eutético
MEV
500 x
1000 x
Se
m
 m
o
d
if
ic
aç
ão
31
61
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
400 X
Fratura frágil – baixa ductilidade (1% - 2%)
Sem modificação
62
250 x
4000 x
Modificação do eutético
MEV
500 x
2000 x
M
o
d
if
ic
ad
o
 c
o
m
 S
r
32
63
Mecanismo de fratura das ligas Al-Si
400 X
Fratura dúctil – maior ductilidade (5% - 10%)
Modificado com Sr
Tratamentos térmicos em ligas Al-Si 
para fundição 
33
65
┐ Em aplicações de construção mecânica que requerem 
limites de escoamento superiores a 150 MPa são 
empregadas ligas fundidas tratáveis do sistema Al-Si 
(contendo Cu, Mg ou Zn) submetidas aos tratamentos 
térmicos de solubilização e envelhecimento.
┐ O envelhecimento é, normalmente, o tratamento T6. 
Ligas tratáveis termicamente
66
Ligas tratáveis termicamente
Endurecidas por meio 
dos tratamentos 
térmicos de 
solubilização e 
envelhecimento 
34
67
Ligas tratáveis termicamente
┐ São endurecidas por meio dos tratamentos 
térmicos de solubilização e de 
envelhecimento.
┐ O mecanismo de endurecimento é a 
dispersão de partículas coerentes pela 
matriz, visando restringir a movimentação de 
discordância e aumentar a resistência 
mecânica.
MET 100.000x
68
Ligas tratáveis termicamente
┐ Os precipitados endurecedores são: Mg2Si, CuAl2 e Zn. Assim a 
liga tratável termicamente a liga precisa conter em sua 
composição:
┐ Cu 
┐ Mg e Si 
┐ Zn e Mg
Partículas coerentes de CuAl2 (’)
Partículas coerentes de Mg2Si (’)
Partículas coerentes de Zn2Mg (’)
35
69
Te
m
p
er
at
u
ra
tempo
Solubilização

 + (´´e ´)
Solubilização e envelhecimento
Envelhecimento
 + 
Temperatura e tempo de envelhecimento 
definidos pela resistência mecânica (T4, T6 
ou T7)
Resfriamento em 
água
Resfriamento ao 
ar
T6 em 7149
70
┐ No caso das ligas Al-Si-Mg, o tratamento de 
solubilização (entre 470°C e 540°C) promove a redução 
de segregação interdendrítica, dissolução de Mg e a 
esferoidização das partículas de Si.
┐ Todas as etapas do tratamento (aquecimento, residência 
e resfriamento) deste ciclo térmico afetam as 
propriedades mecânicas finais do fundido. 
Endurecimento por precipitação
Solubilização
C:/Users/Marcelo F. moreira/Videos/Filmes E E Mauá/Ligas_alumínio/MM_Tratamento T6_bastão basebol.wmv
36
71
Endurecimento por precipitação
Solubilização
Efeito do tempos de 
solubilização (540°C) 
nas partículas de Si 
em liga A356:
(a)- 1,5 min
(b)- 5,5 min
(c)- 19,5 min
(d)- 6 h
72
Endurecimento por precipitação
Solubilização
37
73
┐ T6 representa a resistência 
máxima, relacionada à maior e 
mais homogênea dispersão de 
precipitados coerentes e semi-
coerentes. 
Envelhecimento (T6)
W
W
MET 200.000x
74
Dispersão de precipitados ´ (Mg2Si) em liga 
A356
Tamanho das partículas da 
fase Mg2Si precipitada em 
liga A356 solubilizada a 
535°C: 
170°C - 60minutos 190°C - 60 minutos 205°C - 60 minutos 
38
75
Referências
1) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993
2) Gruzleski, J. E. ; Closset, B. M. The treatment of liquid aluminum-silicon alloys The American 
Foundrymen´s Society - AFS 1990
3) Fuoco, R. Curso de fundição de ligas de alumínio - Acervo técnico IPT 
4) Sigworth, G. K production of High quality strutural casting AFS International Conference in Aluminum 
castings 2003 
5) Mohanti, P. S.; Gruzleski, J. E. mechanism of grain refinement in aluminum Acta Metall. Mater v.43 n.5 
p. 2001-2012 1995
6) Closset B.; Gruzleski, J. E. Structure and properties of hypoeutectic Al-Si-Mg alloys modified with pure 
strontium Met. Trans. A. june 1982 p. 945
7) Moreira, M. F. Acervo de Relatórios técnicos IPT
8) Moreira, M.F.; Fuoco R. Aspectos da fratura por fadiga em componentes fundidos em ligas de
alumínio Anais do II Congresso Internacional do Alumínio, 23 a 25 de agosto de 2005, São Paulo, Brasil
9) Fuoco, R.; Corrêa E. R. Incipient melting in heat treatment of Al-Si-Mg and Al-Si-Cu alloys AFS 
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