UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

PROGRAMA DE PốS GRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE

MATERIAIS - PGCEM

  

MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

SACHA KARINE DE ARAÚJO

  

EFEITO DA MODIFICAđấO COM ESTRÔNCIO NA MICROESTRUTURA E NAS

PROPRIEDADES MECÂNICAS

DA LIGA 356

  

SACHA KARINE DE ARAÚJO

EFEITO DA MODIFICAđấO COM ESTRÔNCIO NA MICROESTRUTURA E NAS

PROPRIEDADES MECÂNICAS

DA LIGA 356

  Dissertação apresentada para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais, área de concentração: Metais, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT da Universidade do Estado de Santa Catarina.

  Orientador: Prof.Dr .Guilherme Ourique Verran

JOINVILLE/ SC

  FICHA CATALOGRÁFICA

A658e

Araújo, Sacha Karine.

  Efeito da modificação com estrôncio na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga 356 / Sacha Karine de Araújo / orientador: Guilherme Ouriques Verran – Joinville, 2012. 75 f. : il ; 30 cm. Incluem referências. Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

  1. Metais. 2. Fundição. I. Verran, Guilherme Ourique. CDD 620.16

  ỀEFEITO DA MODIFICAđấO COM ESTRÔNCIO NA MICROESTRUTURA E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA 356”

  por

SACHA KARINE DE ARAUJO

  Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

  MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  área de concentração em “Metais”, e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

  CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA.

  Dr. Guilherme Ourique Verran CCT/UDESC (presidente/orientador)

  Banca Examinadora: Dr. César Edil da Costa

  Joinville, 29 de fevereiro de 2012. CCT/UDESC Dr. Marcelo Alexandre Tirelli FASB Dr. Wilson Luiz Guesser

  CCT/UDESC

  “Sempre olhe para frente, encare as tempestades e lembre-se você pode até envergar, mas nunca quebrar, nosso limite só chegará com a morte.”

   (S.C Araújo, Meu Pai)

  

AGRADECIMENTOS

  Ao Prof. Dr.Guilherme Ourique Verran, pela sua excelente orientação e pela parceria nesta importante jornada acadêmica. Ao bolsista do laboratório de Fundição Vinícius C. Vilella, pelo seu comprometimento e auxílio nos experimentos de Fundição, assim como na caracterização dos materiais. À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós- graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do trabalho. A CAPES pela bolsa de estudos concedida, que possibilitou a realização deste trabalho. A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que contribuíram para a realização desse trabalho e que acreditaram no meu potencial. Às empresas Wetzel S.A Divisão Alumínio, Alumínio Rio Cedrense e VR Metais, pela parceria e auxílio com a obtenção de materiais. Aos amigos queridos que estudaram e estiveram sempre presentes comigo: Thaís, Sônia, Fernanda e Carlos Onofre. À Tatiane Haskel, que auxiliou na supervisão do meu estágio de docência e pela sua amizade. Ao meu Pai, meus irmãos e minha irmã que são as raízes que sustentam a minha vida. Ao meu querido e amado Marcelo Augusto de Oliveira, pela sua compreensão e dedicação ao nosso amor. À minha querida mãe Ivone Gorges Alves, minha referência de caráter e amor, aqui está mais um sonho realizado.

  

RESUMO

  ARAÚJO Sacha Karine. Efeito da Modificação com Estrôncio na Microestrutura e nas

  A658e . Dissertação (Mestrado em Ciência e Propriedades Mecânicas na Liga 356.

  Engenharia de Materiais – Área: Metais – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

  A resistência mecânica e a qualidade de ligas fundidas alumínio-silício são determinadas pela microestrutura e pela sanidade interna das peças fundidas. Tratamentos de refino de grão e de modificação do silício causam alterações microestruturais que resultam em melhorias nas propriedades mecânicas das ligas Al-Si de fundição. O tratamento de modificação altera a forma do silício do eutético da forma acicular para forma fibrosa interferindo sobre o comportamento mecânico da liga. Diversos tipos de modificadores são descritos na literatura, os mais utilizados são estrôncio e o sódio, pois apresentam efeitos de modificação adequados para as baixas concentrações requeridas. O estrôncio é o mais empregado em fundições, em função da maior facilidade no manuseio e uma maior resistência ao desvanecimento. Entretanto, adições de Sr estão associadas com a formação da porosidade em ligas modificadas. O principal objetivo deste estudo é avaliar a influência de diferentes percentuais de estrôncio sobre a morfologia e a distribuição das partículas de Si na matriz e os efeitos destas alterações sobre as propriedades mecânicas. Também foi avaliado o efeito do estrôncio na temperatura de formação e no superesfriamento do eutético Al-Si através de DTA. Os resultados obtidos indicam que teores de Sr a partir de 0, 012% em peso resultaram na modificação total do Si, com incrementos consideráveis na ductilidade da liga 356 e superesfriamento de 7,1 °C na temperatura do eutético Al-Si. Com valores a partir de 0,031% em peso as propriedades mecânicas, microestrutura e temperatura do eutético apresentavam semelhança com as das ligas semi-modificadas, porém superiores à condição sem modificação.

  

Palavras-chave: Liga de Alumínio-Silício. Modificação. Eutético de Silício. Propriedades

Mecânicas. Microestrutura. Temperatura do Eutético. Estrôncio.

  

ABSTRACT

  ARAÚJO, Sacha Karine. Effect of strontium on the microstructure and mechanical

  A658e

properties alloys 356. Dissertation (Master Course in Science and Materials

  Engineering – Area: Metals) – Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2012.

  The properties of aluminum-silicon alloys are strongly dependent on the casting process used, the chemical additions made to control eutectic structure, primary silicon and grain structure, and molten metal treatment to reduce hydrogen gas content and to remove inclusions. Modification treatments transform the flake eutectic silicon into a fibrous form producing a structure with increased ultimate tensile strength, ductility, hardness, and machinability. Elements in groups I and II and the rare earths europium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium modify, but only sodium and strontium produce a strong modifying action at the low concentration required for commercial application. In this investigation, the effect of strontium concentration on the modification of the eutectic silicon in the 356 alloy was studied. For this porpoise the 356 alloy in as-cast and modified conditions using different Sr concentrations were examined. The results were accessed by tensile tests and metallographic examinations. As evaluated the effect of strontium in the formation temperature and the supercoiling of eutectic Al-Si through DTA. The results indicate that the Sr content of from 0 012% by weight resulted in total of Si modification with substantial increases in the toughness of the alloy 356, and supercoiling of 7.1 ° C temperature of the eutectic Al-Si. The indication of from 0.031% by weight mechanical properties, and temperature of the eutectic microstructure way similar to the alloys of the semi - modified but still higher than the same properties of the alloy without modification.

  Key words: Aluminum-Silicon Alloys. Modification. Eutectic Silicon. Mechanical Properties. Microstructure. utectic Temperature. Strontium.

   E

  

LISTA DE FIGURAS

  Figura 01 - Ilustração do Ciclo de Reciclagem de latas de Alumínio (Mundo Ético, 2011)....19 Figura 02 - Diagrama de fase Al-Si. (ASM, 1992)..................................................................22 Figura 03 - Seqüência de eventos durante a nucleação eutética das fases em ligas hipoeutéticas Al-Si não modificadas (a) nucleação e crescimento da dendrita α-Al (b) nucleação da fase de β(Al, Si, Fe) (c) nucleação do Si eutético na fase β-(Al, Si, Fe fase) à frente da fase Al eutético no campo de soluto, a nucleação de Al eutético no Si eutético e crescimento de Al eutético; (d) choque das dendritas α-Al e do Al eutético, resultando na interrupção do crescimento das dendritas e do crescimento do eutético Al-Si (MAKHLOUF,

  ., 2005)............................................................................................................................. 24

  et al

  Figura 04 – Ilustração esquemática do mecanismos de aresta de plano re-entrante TPRE. (a) e cristal com uma única macla, (b) o encerramento de maclas devido à formação de sulco (c) de cristal com duas maclas, (d) criação de cantos extras reentrante I e II, (e) de propagação de cristal, devido a cantos re-entrantes (FREDRIKSSON et al.,1973) ...................................... 28 Fig. 05 - Ilustração de nucleação de uma liga hipoeutética. Estrutura A – liga hipoeutética sem modificação. Estrutura B – liga hipoeutética com modificação (DAHLE, et al., 2001). 29 Figura 06 - Modelos de solidificação do eutético Al-Si em ligas hipoeutéticas (a) frente de crescimento oposta ao gradiente de temperatura (b) nucleação e crescimento em torno dos dendritas primárias de alumínio, em ligas não modificadas;(c) nucleação heterogêna com imperuzas no líquido crescimento independente da rede interdendrítica, liga modificada (NOGITA et al., 2001)............................................................................................................30 Figura 07 - Ligas Al-Si hipoeutéticas modificadas (a) por adição de modificador químico Na (b) por têmpera. (HELLAWELL, 1990) .................................................................................31 Figura 08 – Gráfico que representa parcela de proporção de raios atômicos (R) versus raio atômico do silício (Rsi) para a gama de ligas de elementos e modificadores (SCHAFFER et

  , 2005).................................................................................................................................. 33

  al

  Figura 09 – Imagem de microscopia óptica de uma liga Al-Si hipoeutética modificada parcialmente com estrôncio Sr (DJURDJEVIC et al., 2001)................................................. 35 Figura 10. (A) Microestrutura de um cabeçote de motor liga 356 modificada com estrôncio

  motor liga 356 não modificadas apresenta microestrutura com porosidade irregular e interdendrítico (A) 70X e (B) 70X. (McCLAIN et al., 2005)................................................. 37 Figura 11. Microestrutura de um cabeçote de motor liga 356 modificadas com estrôncio. (A) microestrutura com porosidade irregular ou interdendrítica (B) microestrutura modificadas apresenta microestrutura com porosidade arredondada (A) 70X e (B) 70X (FUOCO, et al., 2001)........................................................................................................................................ 38 Figura 12 - O método de análise termica por diferencial utilizado para analisar as curvas de resfriamento (a) A curva refrigeração com derivativos correspondente de uma liga 356 modificado com Sr(b) magnitude de pontos eutéticos e pontos de transformação (RIONTINO, et al., 2005)....................................................................................................... 41 Figura 13 - Comportamento das curvas de resfriamento, com foco na reação eutética, para todos os níveis de adição testados Ba em uma liga A356.0 com correspondentes micrografias ópticas da estrutura eutética representante para cada amostra (KNUUTINEN, et al., 2001).42 Figura 14 - Fluxograma do processo de fundição da pesquisa com liga 356 e modificação com ante liga de Al10%Sr........................................................................................................44 Figura 15 – Forno de fusão à indução da marca Inductotherm modelo VIP PT 10, 30 Kw do Labfund/DEM/UDESC ...........................................................................................................48 Figura 16 - (a) Molde metálico utilizado na pesquisa. (b) Corpo de Prova obtido com canais e massalotes Labfund/DEM/UDESC......................................................................................... 49 Figura 17 – Retirada de escória após tratamento de desgaseificação utilizando termopar tipo K para controle de temperatura................................................................................................50 Figura 18 – Desenho de um corpo de prova conforme norma ASTM E 8M-01......................51 Figura 19 - Diagrama esquemático do compartimento da amostra na análise DTA (WENDHAUSEN et al,2008) ................................................................................................52 Figura 20 – Gráfico demonstrativo DTA. a) Variação da capacidade calorífica b) Reação exotérmica c) Reação endotérmica (WENDHAUSEN et al,2008) .........................................53 Figura 21 – Microestrutura de liga não modificada Al-Si 356 (a) Imagens de microscopia óptica representativa da microestrutura (b) MEV .................................................................. 54 Figura 22 – Microestrutura de liga modificada Al-Si 356 com 0,008% Sr em peso (a) imagens de microscopia óptica representativa da microestrutura liga(b) (MEV) microestrutura acicular .......................................................................................................... 55 Figura 23 – Microestrutura de liga modificada Al-Si 356 com 0,012% Sr peso (a) Imagens de

  ................................................................................................................................................. 56 Figura 24 –. Microestrutura de liga modificada Al-Si 356 com 0,022% Sr peso (a) Imagens de microscopia óptica representativa da microestrutura (b) (MEV) ............................................56 Figura 25 – Microestrutura de liga modificada Al-Si 356 com 0,031% Sr peso (a) Imagens de microscopia óptica representativa da microestrutura liga 356 modificada 0,031% Sr peso (b) (MEV) .................................................................................................................................... 57 Figura 26 – Microestrutura de liga modificada Al-Si 356 com 0,040% Sr peso (a) Imagens de microscopia óptica representativa da microestrutura modificada 0,040% Sr peso (b) (MEV) ..................................................................................................................................................58

  

Figura 27 – Resultado da análise térmica para liga sem estrôncio, considerada o padrão para

de temperatura eutética definida em testes de T = T = 569,7 °C ..........................................

  59 E e Figura 28 – Resultado da análise térmica para liga com 0,008% Sr peso. .............................

  60 Figura 29 – Resultado da análise térmica para liga com 0,012% Sr peso. ..............................60 Figura 30 – Resultado da análise térmica para liga com 0,022% Sr peso. ............................

  61 Figura 31– Resultado da análise térmica para liga com 0,031% Sr peso. .............................. 62

  

Figura 32 – Resultado da análise térmica para liga com 0,040% Sr em peso. ........................62

  Figura 33 – Resultado da análise térmica - comparativo entre as ligas...................................63 Figura 34 – Gráficos mostrando a diferença nos valores das propriedades mecânicas para o efeito da modificação de estrôncio em liga 356. (a) Gráfico do LR (MPa) linha vermelha e LE (MPa) linha verde x o percentual de Sr em peso. (b) Gráfico do Alongamento (%) x pelo percentual de Sr em peso......................................................................................................... 66 Figura 35 – Fractografia (a) liga não modificada Al-Si 356: toda a superfície de fratura apresenta alvéolos alongados (b) liga com 0,008%Sr: presença de regiões de alvéolos arredondados e regiões de alvéolos alongados ........................................................................67 Figura 36 – Fractografia (a) liga modificada com 0,012%Sr (b) liga Al-Si modificada com 0,022%Sr .................................................................................................................................67 Figura 37 – Fractografia (a) liga modificada com 0,031%Sr . (b) liga modificada com 0,040%Sr ................................................................................................................................68

  

LISTA DE TABELAS

  Tabela 1– Classificação das ligas de alumínio segundo a Aluminium Association Al (ASTM, 2001) ....................................................................................................................................... 21 Tabela 02 – Comparativo entre agentes modificadores ...........................................................34 Tabela 03- Composição química da liga alumínio – silício 356 não modificada.....................45 Tabela 04 – Experimentos realizados para parametrizar o processo de fundição com diferentes níveis de estrôncio ..................................................................................................46 Tabela 05 – Percentuais de estrôncio utilizados...................................................................... 48 Tabela 06 – Resultados de análise térmica em DTA. TE - temperatura eutética .................. 63

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