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Ligas Al-Si

As ligas do sistema Al-Si, também consideradas não tratáveis termicamente, são muito mais utilizadas como ligas de fundição (série 4XX.X), ou seja, para a fabricação de peças fundidas, como por exemplo, pistões para motores de automóveis e aviões, mas também encontram algumas aplicações como produtos trabalhados, como metais de adição para soldagem (caso da liga 4043), principalmente, embora também possam ser usados para a fabricação de pistões forjados e também em algumas aplicações arquitetônicas [1,3].

O amplo uso das ligas Al-Si em aplicações nas quais a qualidade da estrutura resultante da solidificação é tão importante (fundição e soldagem) está relacionado com as características que o seu principal elemento de liga, o silício, confere às ligas de alumínio. Nestas ligas o silício é usado em teores de até 12 ou 13 % e aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que o mesmo flua melhor através das cavidades do molde de fundição, permitindo a obtenção de produtos com formatos mais complexos. Também propicia a redução da contração durante o resfriamento, reduz a porosidade nas peças fundidas, reduz o coeficiente de expansão térmica e melhora a soldabilidade. Em teores mais elevados dificulta a usinagem. Ao ser combinado com o magnésio torna a liga tratável termicamente. Deve estar preferencialmente presente sob a forma de cristais arredondados e dispersos na liga de alumínio, o que pode ser obtido pelo tratamento de "modificação", que consiste na adição de um pequeno teor de sódio às ligas Al-Si, alterando a microestrutura da liga favoravelmente sob o ponto de vista das propriedades mecânicas, já que a microestrutura de placas angulares de silício provocariam concentração de tensões, prejudicando as propriedades mecânicas da mesma [1]. O tratamento térmico (recozimento) permite o coalescimento e a esferoidização do silício A dureza das partículas de silício promove o aumento da resistência ao desgaste destas ligas. O sistema Al-Si, com solubilidade sólida limitada em ambas as extremidades, forma um eutético simples à temperatura de 580 ºC para um teor de 12,5 % de silício [3].

O ferro, normalmente presente nas ligas de alumínio como impureza, se estiver presente em teores elevados (acima de 1,5 %), pode levar à formação de partículas grosseiras de fase AlFeSi, prejudicando as propriedades mecânicas desses materiais [1,3]. Entretanto, em teores mais baixos o ferro minimiza a tendência da liga Al-Si soldar-se ao molde metálico na fundição em molde permanente (coquilhas e outros tipos) [1]. As duas fases ternárias AlFeSi que podem estar em equilíbrio com o alumínio são a fase alfa (Al8Fe2Si) e beta (Al5FeSi). Outras fases, menos comuns, são a delta (Al4FeSi), que aparece em ligas de alto teor de silício, e a gama (Al3FeSi), que se forma em ligas com alto teor de ferro e de silício. A fase a aparece geralmente sob a forma de "escrita chinesa" ("Chinese script") ou como partículas arredondadas muito pequenas, sendo mais favorável às propriedades mecânicas no último caso. A fase b surge como plaquetas ou agulhas finas e compridas, sendo em geral mais nocivas às propriedades mecânicas das ligas de alumínio. Estas fases também podem surgir em outros tipos de liga de alumínio, desde que os teores de ferro e silício não sejam muito baixos. Como a maioria das ligas comerciais são produzidas em condições de não equilíbrio termodinâmico, é freqüente o aparecimento de outras fases como Al6Fe, Al3Fe, Al6FeSi e Al4FeSi2. O tratamento térmico, ao proporcionar a difusão dos átomos, permite modificar a forma dessas partículas, o que inviabiliza sua identificação através da morfologia somente [3].

O cobre também pode ser adicionado às ligas do sistema Al-Si, dando origem ao subgrupo Al-Si-Cu [3]. Sua principal virtude, como nas ligas Al-Cu, é aumentar a resistência mecânica da liga, tanto antes como após tratamento térmico. Sendo assim, o cobre torna as ligas Al-Si-Cu tratáveis termicamente, ou seja, passíveis de endurecimento mediante tratamento térmico de envelhecimento (endurecimento por precipitação). O cobre é adicionado em teores entre 3 e 11 %, que permitem que este elemento esteja total ou parcialmente solúvel no alumínio em temperaturas logo abaixo do ponto de fusão. Do ponto de vista do processo de fundição, favorece a diminuição da contração interna durante o resfriamento e a melhoria da usinabilidade das peças fundidas. Entretanto, ao contrário do silício, acarreta fragilidade a quente e menor fluidez, além de reduzir a resistência à corrosão [1]. A fragilidade a quente é maior no limite de solubilidade sólida, quando a quantidade de eutético na liga é mínima. No sistema Al-Si-Cu não se formam fases ternárias, as fases em equilíbrio são Al2Cu e silício. Numa liga de alumínio a presença de um segundo elemento de liga normalmente reduz a solubilidade sólida do primeiro e vice-versa. A solidificação em condições de não equilíbrio praticamente não altera as características de cada fase presente na liga [3].

O magnésio, ao ser adicionado às ligas Al-Si, torna as mesmas termicamente tratáveis, devido à formação da fase Mg2Si, que é a responsável pelo endurecimento das ligas Al-Mg-Si (série 6XXX). Entretanto, no caso das ligas Al-Si o teor de magnésio não poder ser muito elevado a ponto de dificultar a fundição, devido à formação da borra (oxidação excessiva do banho). Por outro lado, o magnésio melhora a resistência à corrosão e a usinabilidade [1].

O titânio é adicionado em pequenos teores (de 0,05 a 0,20 %) como refinador de grão, tendo como conseqüência o aumento da resistência à tração e da dutilidade, reduzindo porém a condutividade térmica [1].

O boro é empregado em teores ainda mais baixos (até 0,01%), juntamente com o titânio, tem por efeito reforçar o efeito deste e torná-lo mais duradouro em caso de refusões [1].

Outros elementos podem ser adicionados de modo complementar para a obtenção de efeitos específicos. É o caso do ferro, manganês, cromo, níquel e zinco. O ferro, por exemplo, é adicionado para reduzir a contração, mas também ajuda a refinar o grão e favorece a extração das peças fundidas ao molde, diminuindo o agarramento. Entretanto, seu teor deve ser controlado, geralmente entre 0,15 a 1,2 %, pois acima desta faixa causa sérios prejuízos às propriedades mecânicas [1]. O manganês age como refinador de grão e permite reduzir a contração durante o resfriamento/solidificação, além de proporcionar melhoria na resistência à tração em alta temperatura. Entretanto, seu teor não pode ser muito elevado, já que nesse caso, juntamente com o ferro, leva à formação de partículas grosseiras que causam perda de dutilidade [1]. O cromo é utilizado como refinador de grão, ao ser adicionado juntamente como o titânio. Também é usado para diminuir a incidência de trincas resultantes de tensões e de corrosão sob tensão, além de proporcionar aumento de resistência mecânica em temperaturas elevadas [1]. O níquel permite melhorar a estabilidade dimensional e a resistência mecânica em temperaturas elevadas, sendo portanto muito usado na fabricação de pistões para motores. Entretanto, um teor de níquel da ordem de 5 % causa elevada contração. Sendo assim, comercialmente utiliza-se o níquel em teores que vão de 0,5 a 3 % [1]. O zinco, especialmente quando adicionado conjuntamente com o magnésio, resulta em maior resistência ao impacto, alta resistência à tração e ótima dutilidade. Em ligas que contêm cobre pequenos teores de zinco proporcionam melhor usinabilidade. Contudo, altos teores de zinco apresentam inconvenientes tais como a fragilidade a quente elevada contração. 

As tabelas 4.1 e 4.2 apresentam a composição química e as propriedades mecânicas de algumas ligas Al-Si com muito usadas na fabricação de peças fundidas [3]. 

 

Tabela 4.1 - Composição química nominal de algumas ligas Al-Si fundidas (% em massa).

 

Tabela 4.2 - Propriedades mecânicas de duas ligas Al-Si fundidas em molde de areia. 

 

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