Disciplina: Fundição Dr. Eng. Metalúrgica · Ferro Fundido Nodular – grafita em nódulos...
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Aula 07: Solidificação de ferros fundidos e ligas d e alumínio
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica
1. Solidificação de Ferros Fundidos
- Introdução
- Diagrama Fe-C
- Diagrama Duplo Fe-C para os Ferros Fundidos
- Influências dos elementos de liga e da velocidade de resfriamento
- Classificação dos Ferros Fundidos
2. Solidificação das Ligas de Alumínio
- Introdução
- Diagrama Al-Si
- Influências dos elementos de liga
- Modificação das ligas Al-Si
- Microestruturas e propriedades mecânicas
- Mecanismos de endurecimento
% C (em peso)
Feγ
Feγ + L
Feδ + L
Feδ
L + Fe3C
L
Feγ + Fe3C
Feδ + Feγ
T (0C)
Feα + Fe3C
Fe0,8 4,3
727
912
1148
Feα
Feα+ Feγ
1450
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Solidificação de Ferros Fundidos
Fundição e Solidificação de Ferros Fundidos
Sistema Estável ⇒Formação de
austenita + grafita ⇒Ferro
Fundido Cinzento
Sistema Metaestável ⇒ Formação de
austenita + Fe3C⇒
Ferro Fundido Branco
Fatores que influem no Equilíbrio
Velocidade de Resfriamento
Elementos de Liga
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Carbono (%)
Tem
pera
tura
(0 C
)
1100
1140
1180
1220
1260
1300
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
L
L +Feγ
Feγ + Fe3C
Feγ + grafita
1ª fase: Solidificação pró-eutética ⇒ formação de dendritas de Fe γ
Ocorre a contração na solidificação
2ª fase: Solidificação do eutético - Fe γ + grafita
Ocorre expansão devido a formação da grafita e contração devido a formação da austenita (Fe γ).
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Diagrama Duplo Fe-C para Ferros Fundidos
Carbono Equivalente (%)
Tem
pera
tura
(0 C)
1100
1140
1180
1220
1260
1300
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
L
L + Feγ
L + Grafita
L + Fe3CTemperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Cementita
Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético Austenita-Grafita
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Influência dos Elementos de Liga
Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável
⇒ Grafitizante
⇓
Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento
Cr ⇒
Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável
⇒
Estabilizador de Carbonetos
⇓Favorece a formação de Ferro Fundido Branco
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Solidificação de Ferros Fundidos
Influência do Si no Eutético Fe-C
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Influência do 30 elementona solubilidade do C no ferro líquido, % em peso do elemento de liga
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Solidificação de Ferros Fundidos
Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Grafita
% de Silício
Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Cementita
Si ⇒Aumenta diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável
Grafitizante
Favorece a formação de Ferro Fundido Cinzento
Tem
pera
tura
(0 C)
1120
1140
1160
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
⇓
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Cr ⇒
Diminui diferença entre temperaturas de equilíbrio Estável e Metaestável
Estabilizador de Carbonetos
⇓
Favorece a formação de Ferro Fundido Branco
Tem
pera
tura
(0 C)
% de Cromo
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
1100
1120
1140
1160 Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Grafita
Temperatura abaixo da qual pode
solidificar o eutético Austenita-Cementita
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Solidificação de Ferros Fundidos
Influência da Velocidade de Resfriamento
Curvas de Resfriamento
⇒ Indicam :
Temperaturas de Transformação Eutética
Velocidade de Resfriamento
Resfriamento Rápido
⇒
Solidificação de acordo com o Equilíbrio Metaestável
⇒Formação de Ferro Fundido Brando (Coquilhamento)
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Curvas de Resfriamento esquemáticas para Ferros Fundidos Comuns
1 2 3
Temperatura abaixo da qual pode solidificar o
eutético Austenita-Grafita
Temperatura abaixo da qual pode solidificar o eutético
Austenita-Cementita
1 - Ferro Fundido Cinzento
2 - Ferro Fundido Mesclado
3 - Ferro Fundido Branco
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Solidificação de Ferros Fundidos
T (0C)
t (tempo)
Classificação dos Ferros Fundidos
Ferros Fundidos Comuns
Cinzentos
Brancos
Ferros Fundidos Especiais
Nodulares
Vermiculares
Maleáveis
Ligados
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Classificação dos Ferros Fundidos
Cinzento
Nodular
Maleável
Branco
Vermicular
PERLÍTICO
FERRÍTICO
BAINÍTICO
MARTENSÍTICO
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Solidificação de Ferros Fundidos
Ferro Fundido Tipo σt
Mpa
σesc
Mpa
Along. (5cm)
AplicaçõesTípicas
Cinzento(3,2 C - 2 Si)
Perlítico 275 240 <1% Blocos de motor
Martensítico 550 550 nulo Superfícies sujeitas ao desgaste
Bainítico 550 550 nulo Eixos de cames
Ferrítico 172 138 < 1% Tubulações, bases de máquinas
Nodular(3,5C - 2,5Si)
Ferrítico 413 275 18 Tubulações
Perlítico 550 380 6 Árvore de manivela
RevenidoMartensítico
825 620 2 Partes especiais de máquinasMaleável
(2,2C - 1Si)Ferrítico 365 240 18 Ferramentas em
geral
Perlítico 450 310 10 Equipamentos ferroviários
RevenidoMartensítico
700 550 2 Equipamentos ferroviários
Branco(3,5 C - 0,5Si)
Perlítico 275 275 nulo Produtos resistentes ao desgaste
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Ferro Fundido Nodular – grafita em nódulos (esferoidal)
Ferro Fundido Cinzento –grafita em lamelas (veios)
Solidificação de Ferros FundidosDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Ferro Fundido Vermicular ou de Grafita Compacta – grafita
vermicular
Ferro Fundido Maleável –ferrita, nódulos de grafita e
algumas inclusões
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Ferro Fundido Nodular com Matriz predominantemente PerlíticaCom a presença de Estruturas conhecidas como “Olho de Boi”(Grafita Esferoidal cercada por Ferrita).Ataque: Nital. Aumento 200x.
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Solidificação de Ferros Fundidos
Ferro Fundido Cinzento com Matriz predominantemente Perlítica.Ataque: Nital. Aumento 200x.
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Solidificação de Ferros Fundidos
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Classificação Geral das Ligas de Al
Ligas deFundição
Ligas de Conformação ou Trabalháveis
Boas Propriedades de Fundição
Previsão através de: - Diagramas de Equilibro- Composição Química
Alta ductilidadeBaixa resistência mecânica
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Solidificação de Ligas de Al
Flow chart to Aluminum alloy selection
Solidificação de Ligas de AlDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Solidificação de Ligas de Al
Elementos de liga primários (major elements): silíc io (Si) – cobre (Cu) e magnésio (Mg)
Elementos de liga secundários (minor elements): níq uel (Ni) e estanho (Sn)
Elementos de modificadores da microestrutura: estrô ncio (Sr) - titânio (Ti) – manganês (Mn) – boro (Bo) – cromo (Cr) – fósforo (P) e berílio (Be)
Elementos considerados impurezas: ferro (Fe) – cromo (Cr) e zinco (Zn)
Composição Química das Ligas de Alumínio de Fundiçã o: elementos usualmente presentes
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Diagramas de Equilíbrio Importantes
Al – Si
Al – Cu
Reação eutética ⇒ excelente fluidez e baixa contração na solidificação
Alta solubilidade sólida ⇒ maior resistência através de tratamentos térmicos
Al – Mg
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Solidificação de Ligas de Al
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Ligas de fundição mais
utilizadas
Ponto EutéticoSi 12,6 %T = 5770C
Diagrama Al-Si
L
α
α + L
Al Si
α + ββ
L + β660
1430
T (oC)
577
12,6
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Solidificação de Ligas de Al
Solidificação de Ligas de Al
Diagrama de equilíbrio Al-Si (AFS – Aluminum Casting Technology, 1993)
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran
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Ligas de Fundição ⇒ Si - 5 a 24%
T (oC)
Al
β
1430
L
α
Si
660
α + Si
5770C
DIAGRAMA Al-SiLIGAS DE Al PARA
FUNDIÇÃO
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Solidificação de Ligas de Al
Classificação das ligas Al-Si em
função do teor de Si
Ligas Hipereutéticas
Ligas Hipoeutéticas
Solidificação de Ligas de Al
Mais utilizadas:
- Boas propriedades de fundição
- Moderadas propriedades mecânicas
- Melhores propriedades mecânicas com adição de outros elementos (Cu, Mg,....)
Ex.: 356 – Al7Si0,3Mg
319 – Al6Si3,5Cu
Ligas Eutéticas
β
Si
L
α
Al
T (oC)
- Excelentes propriedades de fundição
-Fragilidade em função da morfologia do Si
- Aplicações especiais (alta resistência ao desgaste)
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L
α+L
α
Al →%Cu
5,65Cu 33Cu
α + CuAl2
T (0C)
5480C
6600C
Diagrama Al-Cu
Maior região de solubilidade sólida
Ligas aceitam tratamento de solubilização
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
CrReduz tendência a trincas e corrosão sob tensão em ligas AlMgZn
Refinador de grão
Mn
Incrementa a resistência à tração em ligas comCu ou Si
Refinador de grão
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Ti
Refinador de grão
Incrementa a resistência à tração e a ductilidade
Diminui a condutividade térmica
Solidificação de Ligas de Al
Bo Refinador de grão Ti - Bo
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Sr – Na – Ca - St Modificadores do Si
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Importância dos elementos de liga
Elementos que formam precipitados endurecedores:
Elementos que atuam como refinadores de grãos:
MnTi Bo Cr
Fe Zn Ni
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades de Fundição
Aumenta fluidezSi
Reduz a contração volumétrica externa
Cu Reduz fluidez
Provoca fragilidade a quente
Reduz a contração interna
FUNDIBILIDADE
FUNDIBILIDADE
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Solidificação de Ligas de Al
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Aumenta tendência a oxidação ⇒ formação de borrasMg
Fe Reduz aderência do metal à coquilha
Zn Elevados teores provocam fragilidadea quente e alta contração
Propriedades de Fundição
Influência dos Elementos de Liga
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Solidificação de Ligas de Al
Propriedades dos Fundidos
Influência dos Elementos de Liga
Si
Aumenta as Resistências Mecânica ao Desgaste e à Corrosão
Melhora soldabilidade
Reduz coeficiente de expansão
Melhora estanqueidade
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Solidificação de Ligas de Al
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Cu
Melhora a usinabilidade
Endurecedor ⇒ aumenta a resistência mecânica nas ligas brutas de fusão e tratadas térmicamente
Reduz a resistência à corrosão
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
Mg
Aumenta a resistência mecânica, a ductilidade e a usinabilidade
Permite as melhores combinações de resistência mecânica e à corrosão
Em baixos percentuais (0,3-1,0%) torna as ligas Al-Si tratáveis térmicamente
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Solidificação de Ligas de Al
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Influência dos Elementos de Liga
Propriedades dos Fundidos
ZnPequenas adições (em combinação com o Mg) produzem boa resistência ao impacto, alta resistência à traç ão e excelente ductilidade
NiMelhora a estabilidade dimensional e a resistência a altas temperaturas
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Solidificação de Ligas de Al
Influência dos Elementossob a Forma de Impurezas
Ni Diminui resistência à corrosão e endurece a matriz (forma intermetálicos)
Zn Aumenta oxidação do Al, as perdas na fusão e o ataq ue aos refratários (forma pontos duros)
Pb Não é miscível no Al líquido
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Solidificação de Ligas de Al
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Liga Al5Si (443)
Fundida em Areia
Si
Fe3SiAl 2(claro )
Dendritas de Solução Sólida (Al α)
Liga Hipoeutética
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Solidificação de Ligas de Al
Microestrutura das Ligas
Hipoeutéticas
MATRIZ
Dendritas Celulares de Al α
ESTRUTURA INTERDENDRÍTICA
• Partículas de Si eutético
• Fe3SiAl 2
• Fe2 Si
Tonalidade de Cinza
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Solidificação de Ligas de Al
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Liga 238-F (10Cu4Si0,3Mg)Fundida em Coquilha
AB
C
D
A = Dendritas de Solução Sólida α
B = Rede Interdendrítica de CuAl2 (cinza claro)
C = Agulhas de Cu2FeAl7 (cinza médio)
D = Partículas de Si(cinza escuro)
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Solidificação de Ligas de Al
C
Modificação de Ligas Al-Si
• Tratamento que usa Agentes Modificadores (Nucleante s) como Na – Sb – Sr que favorecem a solidificação do Si na forma de partículas arredondadas e finamente disper sas na Matriz de Al α• A composição eutética normal do sistema Al-Si corresponde a 12,6% Si a a temperatura de 577 0C o Na e os outros agentes modificadores tendem a deslocar composição e a temperatura de equilíbrio eutético d e modo a permitir que se consiga fundir ligas hiper eutéti cas mantendo-se as características de fundição inerente s às ligas eutéticas ou tornar ligas eutéticas ligeiram ente hipoeutéticas
Principal Consequência ⇒ Aumento da Resistência e da Dutilidade nas ligas Al-Si fundidas.
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Solidificação de Ligas de Al
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Eutético Normal
12,6% Si T = 5770C
Eutético Modificado14,2% Si T = 5620C
Si
L
α
α + L
Al
α + Si Si
L + Si660
1430T (oC)
12,6 14,2
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Solidificação de Ligas de Al
Liga 356 (Al7Si0,3Mg) Fundida em Moldes de Areia – HF – 100x
Bruto de FusãoPartículas aciculares de Si
Modificado com 0,025%NaPartículas de Si menores
e arredondadas
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Solidificação de Ligas de Al
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Propriedades Mecânicasda Liga A356 Bruta de
Fusão e Modificada com Na em função do
tamanho dos grãos.
Liga Modificada com Na
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Solidificação de Ligas de Al
Propriedades Mecânicas de Ligas de Al para Die Casting Ensaio de Tração
A380.0 Al8,5Si3,5Cu
384.0 Al11,2Si3,8Cu
390.0 Al17Si4,5Cu0.6Mg
160 325 4,0
172 325 1,0
240 280 1,0
Liga (SAE)
Composição Nominal σesc(Mpa)
σmax (Mpa)
Alongamento (%)
360.0 Al9,5Si0,5Mg 172 324 3,0
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Solidificação de Ligas de Al
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Mecanismos de Endurecimento/Aumento de Resistência em Ligas de Al
Ligas de Fundição
Tratamentos Térmicos
Solubilização
Precipitação (Envelhecimento)
Tratamentos do Banho
Refino de Grão
Modificação do Si
Refino da Matriz (α)
Refinamento e coalescimento das partículas de Si
Coalescimento das partículas de Si e endurecumento por soluto
Formação de precipitados submicroscópicos (Zonas GP)
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Solidificação de Ligas de Al
F- Bruta de fusão(InvestmentCasting)rede interdendrítica de: • Silício Eutético (cinza escuro e sharp)
• Cu2Mg8Si6Al 5 (cinza claro, script)
• Fe2Si2Al 9 (cinza médio, blades)
• Mg2 Si (preto)
F- Modificada com adição de Al-10Sr ao banho (Investment Casting)
Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético estão menos pontiagudas
T6 - Fundida em Coquilha, solubilizada e envelhecida.
Microconstituintes são os mesmos, mas a partículas de Si eutético ficaram mais coalescidas (arredondadas)
Liga 355 (Al5Si1,3Cu0,5Mg)Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al
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Liga 356 (Al7Si0,3Mg)
F –Bruta de fusão em areia
Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 5mm
Refinadacom adição de 0,05%Ti e 0,005% B
Tamanho médio dos macrogrãos ≅ 1mm
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Solidificação de Ligas de Al
Bruta de fusão(investment casting)
Rede de partículas de Si (cinzas escuro e angulares) em um eutético AlSi interdendrítico e partículas de Cu2Mg8Si6Al5 (cinza claro, script)
Bruta de fusão (investment casting)região solidificada mais rapidamente (colocação de um resfriador )
Constituintes são os mesmos, mas as
dendritas celulares de α são menores e as partículas do Si eutético são menores e menos angulares.
Liga 354 (Al9Si1,8Cu0,5Mg)
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Bruta de Fusãoem Areia -Rede de partículas de Si e eutético AlSi interdendrítico
Solubilizada a 5400C, 12h e resfriada em água Coalescimento das partículas de Si
Modificada pela adição de Na (0,025%) Partículas de Si eutético menores e menos angulares
Liga 356 (Al7Si0,3Mg)
Modificada pela adição de Na (0,025%)e SolubilizadaPartículas de Si arredondadas e aglomeradas
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Solidificação de Ligas de Al
Bruta de Fusão (Premium Quality Casting)Rede interdendrítica de Si eutético (cinza);
partículas de Mg2Si (preto)
T6 = Solubilizada + Envelhecida artificialmente partículas de eutético e coalescidas aglomeradas
pela solubilização
Sob maior aumento, observa-se pequenas partículas de Mg2Si não solubilizadas (prêto)
Liga 357 (Al7Si0,5Mg)
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Solidificação de Ligas de Al
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Heterogeneidades Microestruturais em Corpo de Prova Fundido em Coquilha (liga A356)
(d) (a)(b)(c) (e)Borda da amostra
Estrutura mais refinada
Centro da amostra
Estrutura mais grosseira
φ = 12,6mm
Superfície de fratura (MEV) baixo aumento
HASKEL, Tatiane . Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, 2009.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação de Ligas de Al