Metalografia de ligas de alumínio de fundição

Metalografia de ligas de alumínio de fundição

Ligas de alumínio de fundição são utilizadas para a fabricação de uma série de componentes para a indústria automotiva, náutica e aeronáutica. São adequadas a quase todos os processos convencionais e não convencionais de fundição (incluindo os processos near net shape como: die casting, squizee casting, reofundição e investment casting) [1]. Entre as ligas que apresentam as melhores características de fundição encontram-se as da série AA 3XX.X, sendo o silício o constituinte majoritário da série. O silício, como elemento de liga, promove o aumento da fluidez no estado líquido, através da diminuição da tensão superficial do banho, reduz a ocorrência de trinca à quente e diminui a contração térmica, motivos pelos quais a maioria das peças fundidas em alumínio pertencem á série AA 3XX.X [2].

A microestrutura bruta de solidificação das ligas binárias Al-Si é formada por dendritas Al-a, partículas primarias equiaxiais de silício (tipo plaquetas), agulhas pré eutéticas Al5FeSi e script chinese formada com Al15(Mn,Fe)3Si2, como mostra a Fig.1. As agulhas, assim como as plaquetas de silício de maior tamanho, diminuem drasticamente a ductilidade do material. Agentes modificadores como sódio, estrôncio ou antimônio são adicionados ao banho entre 0,005 e 0,02% em peso, para promover alterações no crescimento das plaquetas de silício, que passam a exibir uma morfologia mais refinada, o que contribui para o aumento da ductilidade das ligas Al-Si [3]. Além do silício, outros elementos como o cobre e o magnésio podem ser adicionados para aprimorar algumas propriedades tecnológicas e acrescentar outras as ligas da série AA 3XX.X. O magnésio torna as ligas alumínio-silício endurecíveis por precipitação com o tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento. Entre as ligas alumínio-silício-magnésio cabe destacar a AA 356.0 e a modificada AA A356.0, preferenciais para os processos die casting e investment casting. Na nomenclatura o dígito zero, colocado após o ponto, indica tratar-se de um produto, isto é, peça ou componente.

A composição standard da AA 356.0 é formada de 6,5-7,5% de silício e 0,25-0,45% de magnésio, além de outros elementos como o ferro (até 0,5%), cobre (até 0,25%) e manganês (até 0,35%), podendo ainda conter zinco e titânio como refinadores de grão. Entre os produtos atualmente fabricados com a liga AA 356.0 encontram-se basicamente peças com geometrias complexas apresentando seções delgadas, requisitos de estanqueidade e tolerâncias críticas.

A microestrutura da liga AA 356.0, semelhante à microestrutura das ligas binárias Al-Si, é formada por dendritas primárias Al-a, cristais tipo plaquetas de silício na fase eutética, agulhas Al5FeSi de formação pré-eutética e Al15(Mn,Fe)3Si2 na forma de script chinese, além de partículas dispersa de Mg2Si. Para taxas diferenciadas de solidificação a liga apresentará microestrutura característica, compatível com a velocidade de resfriamento. Na microestrutura da liga AA 356.0, solidificada com altas taxas de resfriamento, se observa com freqüência a presença do microcostituinte Al8FeMg3Si6, o que não ocorre quando a liga é solidificada com taxas moderadas ou lentamente [4].

Peças complexas do ponto de vista do processo de fundição, contendo simultaneamente paredes delgadas e espessas, apresentam uma microestrutura diferenciada não homogênea. É evidente que variações microestruturais em uma mesma peça comprometem o desempenho mecânico do componente, podendo em alguns casos ser corrigido com tratamento térmico adequado. No tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento artificial recomendado para a liga AA 356.0 (têmpera T6; ASTM B917/B917M-2001; [5,6]), ocorrem modificações macro e microestruturais na estrutura bruta de solidificação, isto é, a modificação do tamanho de grãos e a solubilização de alguns microscostituintes. Agulhas Al5FeSi e o script Al15(Mn,Fe)3Si2 ainda permanecem, observa-se alterações na morfologia das partículas de silício, como o arredondamentos das extremidades e a solubilização do microscostituinte Mg2Si, que precipita disperso na matriz durante o envelhecimento, endurecendo o material. Mas, como identificar os microstituintes da liga AA 356.0 utilizando a metalografia?

Parece ser consenso entre os metalógrafos que revelar, tanto a macro como a microestrutura dos metais é um ciclo vicioso de sucessos e fracassos. Frequentemente torna-se necessário a realização de experimentos sistemáticos para garantir a reprodutibilidade de um ataque químico, levando muitos iniciantes à desistência. Porém, no caso das ligas de alumínio silício existem reagentes consagrados que garantem muito boa reprodutibilidade e que são de fácil aplicação, entre eles destacam-se os reativos de Tucker e de Keller ideais para macrografia e, o reativo formado com ácido fluorídrico diluído em água para micrografia.

O reativo de Tucker, também conhecido como água régia fluorada, é uma solução de HNO3, HCl e HF na proporção de [1:3:1], diluído ou não em poções variáveis de água destilada é utilizado para revelar a macroestrutura do alumínio puro e de alguma ligas contendo silício [3]. Já o reativo de Keller (2,5 ml de ácido nítrico, 1,5 ml de ácido clorídrico e 1,0% de ácido fluorídrico diluídos em 95 ml de água destilada) é recomendado para as ligas de alumínio com baixos teores de silício. Para a micrografia o reagente mais utilizado é o composto de ácido fluorídrico diluído em água destilada em concentrações que podem variar de 0,3-5%, que é de fácil preparação e de boa reprodutibilidade, mas, nem sempre diferencia todos os microconstituintes presentes [3].

A microscopia eletrônica de varredura no modo elétrons retroeaspalhados (BSE- Back Scattered Electron) que diferencia os níveis de cinza da imagem pelo número atômico, aliada a microanálise por EDS (Energy Dispersive Spectrometry) constitui-se uma alternativa para diferenciar alguns dos microscostituintes presentes nas ligas da série AA 3XX.X. Porém, tanto a imagem por BSE quanto a microanálise apresentam suas limitações ao diferenciar a composição de um ou outro microconstituinte presente. Precipitados e fases das ligas binárias Al-Si e da AA 356.0 geralmente possuem composições muito próximas entre si ou da matriz, o que torna a formação dos contrastes da imagem por BSE difícil, como mostra a Fig. 2.

De maneira semelhante, a microanálise por EDS, por ser considerada uma analise química qualitativa também não produzirá respostas exatas, para diferenciar um microcostituinte do outro, sem que se tenha conhecimento prévio das condições de solidificação e possíveis tratamentos térmicos sofridos pela amostra. Além disso, a segregação dendrítica é impossível de ser identificada com o microscópio eletrônico de varredura nos modos convencional de formação da imagem e constitui-se fator importante quando se trata das propriedades mecânicas de peças fundidas.

Ataques coloridos podem ser uma boa opção para ressaltar a segregação e os microconstituinte das ligas da série AA 3XX.X. O reagente de Weck, por sua vez, pode ser uma boa escolha, pois, revela através do contraste colorido a segregação dendrítica e diferencia vários microcostituintes. A formulação é simples, de fácil manuseio e utilização, constitui-se de 4 g de permanganato de potássio, 1g de hidróxido de sódio em 100 ml de água destilada, além disso, tem boa repetibilidade, requisito essencial para um bom ataque metalográfico. O reativo de Weck pode ser utilizado para observações em sistemas ópticos simples, contudo, com luz polarizada produz contrastes bem mais acentuados [7]. Para ilustrar melhor o exposto, a Fig. 3 mostra a microestrutura de uma amostra solidificada em molde cerâmico da liga AA 356.0, revelada com o reativo de Weck. Nas Figuras (a) e (b) a amostra foi imersa com agitação, por quatro segundos, no reativo de Weck, depois lavada com água destilada e seca. Nas Figuras (c) e (d) a amostra sofreu um ataque duplo: primeiro foi mergulhada em 3% de HF diluído em água, por dois segundo e depois de lavada e seca ao ar, mergulhada por mais dois segundos no reativo de Weck, ambos na temperatura ambiente.

Em resumo, boas micrografias para as ligas de alumínio da série AA 3XX.X podem ser facilmente obtidas com o reativo de HF+ água destilada e o reativo de Weck. Porém, é importante lembrar que o principal requisito para o sucesso de um ensaio metalográfico não depende só da escolha do reativo, mas, essencialmente da preparação da superfície a ser revelada, que deve estar plana, bem polida e limpa.

Referências

1. Associação Brasileira do Alumínio http://www.abal.org.br/industria/introducao.asp. Acessado em outubro de 2012;
2. Suareza, M.A. et al. Study of the Al-Si-X System by Different Cooling Rates and Heat Treatment. Materials Research. 2012; 15(5): 763-769;
3. Kramel,M., Verran, G. O. Efeito da temperatura de vazamento e da qualidade do banho na fluidez das ligas Al-Si. FS. Fundição e Serviços, v. 58, p. 58-66, 2010;
4. ASM, Metals Handbook: vol. 9: Metallography And Microstructure, American Society for Metals, metals Park, Ohio,USA, 1985;
5. Backerud, L., Chai,G., Tamminen, J. Solidification Characteristics of Aluminum Alloys. vol.2. Foundry Alloys American Foundrymen’s Society, Inc., 1990. [5]Classificação das têmperas nas ligas de alumínio. http://www.revistaih.com.br/artigo/classificacao-das-temperas-nas-ligas-de-aluminio .Acessado em setembro de 2012;
6. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM. Standard Practice for Heat Treatment of Aluminum, Alloy Castings from All Processes. B 917/B 917M 01, West Conshohocken, PA, USA, 2001. p. 1-11;
7. Van der Voort, G., The Aluminum Silicon Phase Diagram and Eutectic Modifications. http://www.georgevandervoort.com/met_papers/Aluminum/Al_Si_Phase_Diagram.pdf. Acessado em abril de 2012.

 

Berenice Anina Dedavid
Berenice Anina Dedavid
Graduada em Física pela UFRGS, Mestre e Doutora em Engenharia pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e Materiais (PPGEMM). Professora titular da PUC-RS. Coordenadora do Centro de Microscopia e Microanálise da PUC-RS e o LAMETT-Laboratório de Metalografia de Tratamentos Térmicos. Experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Solidificação, atuando em Microscopia Eletrônica, Ligas Leves e Nanoestruturas

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