Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe)

Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Nuno Alexandre Gonçalves Lima DISSERTAÇÃO Orientador: Prof. Doutora Filomena Viana (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) Orientador da empresa: Engenheiro J. Alexandre Silva (Traterme Tratamentos Térmicos, LDA.) setembro de 2012 FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) MIEMM – Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e Materiais 2011/2012 A dissertação intitulada: “Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe).” Foi aprovada em prova realizada em 23-10-2012 Presidente Professor Doutor Fernando Jorge Monteiro Arguente Professora Doutora Ana Pinto Orientadora Professora Doutora Filomena Viana Autor Nuno Alexandre Gonçalves Lima Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto i Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Agradecimentos Gostaria de agradecer individualmente a cada uma das pessoas que, das mais inúmeras formas, me acompanharam e ajudaram a percorrer o caminho que culminou no trabalho que a seguir apresento. A lista seria longa e sendo impossível referir cada um dos indivíduos quero agradecer de um modo geral a todos os professores e amigos que contribuíram para a minha evolução académica e também pessoal. À professora doutora Filomena Viana agradeço, além da sua ininterrupta disponibilidade, o modo como me auxiliou através das suas críticas e sugestões bem como pela motivação nos momentos em que a vontade parecia desvanecer. À Traterme – Tratamentos Térmicos, LDA por ter facultado um tema de trabalho e especialmente ao engenheiro Alexandre Silva que me ajudou sempre que eu necessitei do seu apoio na realização deste trabalho. Aos rapinantes que me assaltaram o carro e que de um modo ilícito adquiriram todo o meu trabalho até à data e me proporcionaram a oportunidade de melhorar partes do trabalho que já estavam concluídas. Por último, guardo um agradecimento muito especial para os meus pais, à minha irmã e todos os familiares que me acompanharam e sempre me deram forças para singrar na minha vida académica. ii Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) iii Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Resumo O objeto de estudo desta dissertação é uma liga de fundição injetada, a liga de alumínio AlSi10Mg(Fe) que se pretende endurecer por precipitação. Assim, este trabalho focou-se no estudo dos parâmetros de tratamento térmico capazes de conduzir a um aumento da dureza. O tratamento térmico explorado foi o de endurecimento por precipitação, ou envelhecimento, nomeadamente o tratamento de alta temperatura, a solubilização, e o de baixa temperatura, o envelhecimento. O efeito dos parâmetros de tratamento térmico no endurecimento da liga foi avaliado através de análise microestrutural em microscopia ótica, associada a um software de análise de imagem, e ensaios de dureza Rockwell B. Os pontos de transformação da liga foram determinados por ensaios de calorimetria de varrimento diferencial. A análise metalográfica permitiu caracterizar as alterações microestruturais causadas pela solubilização. Estas alterações, indicadoras da modificação da morfologia em bruto de vazamento, são o coalescimento e a esferoidização do silício eutéctico. Numa primeira fase, estudaram-se as condições de solubilização que garantem a maior dissolução dos elementos de liga sem que ocorra um exagerado crescimento de grão, o que prejudicaria as propriedades da liga. O estudo demonstrou que a solubilização realizada a 515 °C, durante um estágio de 60 minutos, assegura a dissolução de elementos de liga, indispensável para promover o endurecimento por precipitação em tratamento posterior. Após definido o tratamento térmico de solubilização, capaz de gerar melhores resultados, foi estudado o efeito do envelhecimento artificial a 160, 180 e 210 °C. Os resultados obtidos revelam que o envelhecimento que potencia melhores resultados é o realizado a 180 °C durante 30 minutos. A dureza máxima, 96 HRB, é atingida com uma solubilização a 515 °C durante 15 minutos, seguida de arrefecimento em água a 60 °C e envelhecimento a 180 °C durante 30 minutos. Palavras-chave: liga de Al-Si-Mg; 360.0; microestrutura; tratamento térmico; solubilização; endurecimento por precipitação; envelhecimento artificial. iv Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Abstract The subject of this dissertation is the study of the die-casting aluminum alloy AlSi10Mg (Fe), wichproperties are to be improved by precipitation hardening. This work focused on studying the parameters of heat treatment that can lead to an increased the hardness. The heat treatment that was explored was aging, or precipitation hardening, particularly the high-temperature treatment, solubilization, and the low temperature one, aging methods. The effect of heat treatment parameters in the hardening of the alloy was evaluated by microstructural analysis in an optical microscope, associated with an image analysis software, and Rockwell B hardness tests. The transformationpoints of the alloy were determined by differential scanning calorimetry tests. The metallographic analysis allowed to characterize the microstructural changes caused by solubilization. These changes, indicating the modification of the morphology of the as-cast structure, are the coarsening and spheroidization of eutectic silicon. Initially, we investigated the solubilization conditions that ensure the maximum dissolution of the alloying elements without an exaggerated grain growth, which would prejudice the properties of the alloy. The study showed that the solubilization at 515 °C for 60 minutes ensures the dissolution of alloying elements needed to promote hardening by precipitation in subsequent processing. After the selection of the solubilizing heat treatment, able to generate better results, we studied the effect of artificial aging at 160, 180 and 210 °C. The results show that the aging treatment which the best results is performed at 180 °C for 30 minutes. Maximum hardness, HRB 96, is achieved with a solubilization at 515 °C for 15 minutes, followed by cooling in water at 60 °C and aging at 180 °C for 30 minutes. Keywords: alloy Al-Si-Mg 360.0; microstructure; heat treatment; solubilization, precipitation hardening; artificial aging. v Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Índice 1. Revisão bibliográfica ..................................................................... 1 1.1. Introdução................................................................................ 1 1.2. Classificação das ligas de alumínio ...................................................... 2 1.3. Ligas Al-Si ................................................................................ 5 1.3.1. Modificação do eutético ................................................................. 8 1.3.2. Processo de fundição – Fundição injetada .............................................. 9 1.3.3. Tratamento térmico de envelhecimento............................................... 10 2. Materiais e procedimentos experimentais ............................................. 17 2.1. Material utilizado ....................................................................... 17 2.2. Preparação das amostras ............................................................... 18 2.3. Caracterização microestrutural ........................................................ 19 2.4. Ensaio de calorimetria diferencial por varrimento - DSC.............................. 20 2.5. Tratamento térmico de envelhecimento............................................... 22 2.6. Ensaio de dureza Rockwell B ........................................................... 22 3. Discussão e análise dos resultados ..................................................... 23 3.1. Caracterização microestrutural ........................................................ 23 3.2. Microestrutura em bruto de vazamento................................................ 24 3.3. Evolução da microestrutura com o tratamento de solubilização a 515 °C ........... 29 3.4. Evolução da dureza com o tratamento de solubilização a 515 °C. ................... 40 3.5. Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura ........................... 41 3.6. Envelhecimento artificial ............................................................... 52 3.6.1. Influência da temperatura e do tempo envelhecimento na dureza, após solubilização a 515 °C durante 60 minutos .................................................................. 52 3.6.2. Influência da duração do tratamento de solubilização a 515 ºC na dureza após envelhecimento a 180 ºC....................................................................... 54 4. Conclusões .............................................................................. 57 5. Bibliografia .............................................................................. 59 vi Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) vii Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Índice de figuras Fig. 1 - Diagrama de equilíbrio Al-Si [11]....................................................... 6 Fig. 2-Microestrutura das ligas Al-Si: a) hipoeutéticas, b) eutécticas e c) hipereutéticas [10]. ............................................................................................. 6 Fig. 3Curvas tensão-deformação da liga A356.0 com diferentes tratamentos térmicos [13]. ................................................................................................... 7 Fig. 4Identificação da fase intermetálica Al5FeSi. ........................................... 8 Fig. 5Diagrama quase-binário Al-Mg2Si [14]. .................................................. 8 Fig. 6Esquema de um equipamento de injeção de alta pressão do tipo câmara fria [12]. 10 Fig. 7Esquema do diagrama de equilíbrio com indicação das temperaturas das diferentes etapas do tratamento térmico de envelhecimento. ..........................................11 Fig. 8Esquema de tratamento térmico de envelhecimento. ................................12 Fig. 9Sequência de formação de precipitados a partir de uma solução sólida sobressaturada das ligas Al-Si-Mg [6] ..........................................................13 Fig. 10Esquema da evolução da resistência e dureza da liga em função do tempo de envelhecimento, para temperatura constante [15]. ..........................................14 Fig. 11Variação das propriedades em tração com o tempo e temperatura de envelhecimento [23]. ..........................................................................16 Fig. 12Peça fornecida para estudo da liga AlSi10Mg(Fe). ...................................17 Fig. 13Esquema da divisão da peça em estudo. .............................................18 Fig. 14Interface do programa PAQI, com imagem em cinzento e a mesma após transformação em imagem binária. ...........................................................20 Fig. 15Curva de CVD da liga AlSi10Mg(Fe), com um pico endotérmico de fusão. ..........21 Fig. 16Curva de CVD da liga AlSi10Mg(Fe), com dois picos exotérmicos, correspondente à solidificação primária e à solidificação eutética. .............................................21 Fig. 17Divisão da peça e áreas analisadas em cada uma das amostras. ....................23 Fig. 18Microestrutura da liga AlSi10Mg(Fe) em bruto de vazamento. ......................25 Fig. 19Identificação da fase Al5FeSi, a) imagem recolhida da liga em estudo, AlSi10Mg(Fe) e b) imagem recolhida de referência bibliográfica [25]. .....................................26 Fig. 20Identificação do precipitado Mg2Si, a) imagem recolhida por microanálise e b) imagem recolhida da referência [26]. .........................................................26 Fig. 21Curva de CVD, obtida durante o aquecimento até 640 °C a uma taxa de 10 °C/min, de uma amostra da zona 1. ....................................................................27 Fig. 22Curva de CVD, obtida durante o arrefecimento de 640 °C até temperatura ambiente a uma taxa de 10 °C/min, de uma amostra da zona 1.............................28 6 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 1 - Diagrama de equilíbrio Al-Si [11] As ligas da série 4XX.X podem ser hipoeutéticas contendo entre 1,65 e 12,6 % de Si, eutécticas com 12,6 % de Si, ou hipereutéticas com teor de silício superior a 12,6 %. As diferentes microestruturas são representadas na figura 2 [12]. As ligas hipoeutéticas, com concentração de silício compreendida entre 9 e 11%, tendem a ter uma solidificação mais pastosa devido à solidificação dendrítica e um maior intervalo de solidificação [12]. Ao ter uma solidificação mais pastosa a pressão aplicada ao fluxo de metal em fusão, no processo de fundição injetada, é transmitida durante mais tempo o que diminui a probabilidade de ocorrerem rechupes em locais de maior massividade. Fig. 2-Microestrutura das ligas Al-Si: a) hipoeutéticas, b) eutécticas e c) hipereutéticas [10]. 7 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) As ligas da série 3XX.X são as mais utilizadas na indústria militar, aeronáutica e automóvel. São também as ligas de maior importância para fundição, pois combinam os benefícios do silício com os das ligas tratáveis termicamente. A figura 3 demonstra o efeito dos tratamentos térmicos de envelhecimento na resistência de uma liga Al-Si-Mg, sendo o tratamento T6 o que apresenta melhores propriedades, resistência e capacidade de deformação [13]. Fig. 3Curvas tensão-deformação da liga A356.0 com diferentes tratamentos térmicos [13]. A presença de silício nestas ligas permite elaborar peças com geometria mais complexa bem como diminuir a dilatação térmica, sendo um especto bastante benéfico se as peças forem utilizadas a elevadas temperaturas. Já a presença de magnésio torna as ligas tratáveis termicamente, através da formação da fase Mg2Si durante o tratamento térmico de envelhecimento. O Mg2Si responsável pelo endurecimento por precipitação destas ligas, melhorando a resistência mecânica. A liga AlSi10Mg(Fe), com composição química apresentada na tabela 3, é o objeto de estudo desta dissertação. Possui uma boa resistência química, mecânica, à fissuração a quente e uma excelente fluidez no estado líquido. É tipicamente utilizada em fundição injetada, para produção de peças com paredes finas e geometria complexa e também que exijam boas propriedades térmicas. A liga apresenta teores de ferro de, sensivelmente 1 %, o que potencia a formação do composto intermetálico Al5FeSi. A fase Al5FeSi é prejudicial para as propriedades mecânicas, pois possui uma morfologia em forma de agulha, ver figura 4, atuando como concentradores de tensões. A sua dissolução durante o tratamento térmico é bastante difícil, pois é estável a temperaturas que rondam os 500 °C. 8 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 4Identificação da fase intermetálica Al5FeSi. O diagrama ternário AlSiMg pode ser simplificado pelo diagrama quase-binário Al-Mg2Si, representado na figura 5. No diagrama estão representadas as curvas de solidus e liquidus, bem como a curva solvus, que indica o limite de solubilidade do Mg2Si no Al, sendo 1,85 % à temperatura eutéctica [15]. Ao diminuir a temperatura, a solubilidade do Mg e do Si diminui ao longo da linha de solvus. 1.3.1. Modificação do eutético A modificação do eutéctico é obtida com utilização de modificadores de eutéctico. É um aspeto interessante, pois em bruto de vazamento, o silício eutéctico possui uma estrutura acicular e grosseira que é alterada para uma forma mais fina e fibrosa. A esta modificação está associada a melhoria das propriedades mecânicas, resistência e ductilidade. Al5FeSi Fig. 5Diagrama quase-binário Al-Mg2Si [14]. 9 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Esta estrutura, mais favorável, pode também ser alcançada por aumento da taxa de arrefecimento, mas o método mais utilizado é a utilização dos elementos modificadores de estrutura, o sódio, o estrôncio e o antimónio [16]. A modificação é realizada por adição destes elementos ao banho líquido de alumínio e silício [12,17]. O modificador de estrutura mais eficaz é o sódio, mas devido à sua taxa de vaporização mais elevada, o efeito modificador desvanece-se rapidamente. O sódio deixa de surtir efeito passado 30 minutos e ataca os cadinhos de fusão, enquanto o estrôncio é eficaz durante 2 horas e não ataca os cadinhos de fusão [12, 17]. 1.3.2. Processo de fundição – Fundição injetada A liga em estudo nesta dissertação foi adquirida sob a forma de peças elaboradas por fundição injetada e, por essa razão, este processo de fundição é o único referido neste trabalho. Do ponto de vista de fundição, as ligas de alumínio caracterizam-se pelo baixo ponto de fusão. As ligas de alumínio permitem a utilização de todos os tipos de moldes, pois as solicitações térmicas são reduzidas. Os moldes não permanentes apresentam a desvantagem de possuírem taxas de arrefecimento menores do que os moldes permanentes e como tal geram microestruturas mais grosseiras e maior número de microporosidades. Os moldes de areia são escolhidos quando a produção não compensa o investimento em moldes permanentes. A escolha do processo de fundição depende de fatores como o tamanho do fundido, a sua complexidade geométrica, tolerâncias dimensionais bem como o tipo de acabamento e as características da liga. A fundição por gravidade, sob pressão ou contra gravidade com baixa pressão são os métodos de vazamento mais utilizados. A fundição injetada consiste em injetar a alta pressão, entre 100 a 200 atmosferas, o metal líquido num determinado molde de aço. Este processo permite reproduzir peças com espessuras reduzidas, com uma cadência elevada e acabamento superficial também superior, impossíveis de obter em fundição por gravidade. O equipamento utilizado para esta operação, figura 6, denomina-se injetora, podendo ser de câmara quente ou câmara fria [12, 17]. A aplicação de pressão durante a solidificação possibilita melhores condições de alimentação, o que reduz a formação de microporosidades e melhora as propriedades mecânicas até 20 %, em relação a outros processos [17]. 10 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 6Esquema de um equipamento de injeção de alta pressão do tipo câmara fria [12]. Para minimizar o desgaste do molde, provocado pela injeção do metal a alta pressão, são utilizadas ligas com elevados teores de ferro e baixas temperaturas de fusão. Por consequência pode existir formação de fases ricas em ferro, como é o caso da fase intermetálica Al5FeSi. Outro problema da fundição injetada é a turbulência gerada pelo fluxo de metal em fusão, que gera inclusões de óxidos. As inclusões, rechupes ou poros são prejudiciais, pelo que estes defeitos devem ser minorados [12, 17]. 1.3.3. Tratamento térmico de envelhecimento Os tratamentos térmicos de envelhecimento consistem em processos que têm como objetivo promover o endurecimento por precipitação. Estes tratamentos podem dividir-se em três etapas: - Solubilização; - Arrefecimento rápido; - Envelhecimento natural e/ou artificial. As condições de tratamento térmico devem ser controladas, o ASM Handbook, volume 4, recomenda um tratamento de solubilização com duração de 6 a 12 horas a uma temperatura de 540 °C, para peças vazadas em moldes permanentes, o arrefecimento não é especificado e o envelhecimento indicado consiste num aquecimento a uma temperatura de 155 °C durante 3 a 5 horas [18]. A solubilização é o primeiro passo para o endurecimento por precipitação. Tem como finalidade: 1Aumentar o teor de magnésio e silício na matriz até ao limite máximo de solubilidade e tornar a sua distribuição homogénea; 2Globulizar as partículas de silício sem diminuir o número de partículas [18]. 11 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) O primeiro objetivo é crucial para obter as condições favoráveis para um envelhecimento eficaz. Já o segundo objetivo melhora a ductilidade da liga relativamente ao estado bruto de vazamento. A sequência completa do tratamento de envelhecimento é representada na figura 8 [18, 19, 20]. Por outras palavras, a liga é aquecida até T2, figura 7, e mantida a essa temperatura durante o tempo necessário para que toda a fase β, o Mg2Si, seja dissolvida. Após este passo, é realizado um arrefecimento rápido até T0 para evitar difusão dos elementos de liga e formação da fase β, passando a existir uma solução sólida sobressaturada, fase α. Segue-se o envelhecimento, tratamento à temperatura T1, durante o qual ocorre a formação de fases metastáveis, compostos intermetálicos de Mg e Si, que aumentam a dureza da liga. A temperatura de solubilização utilizada, como está representado na figura 7 é próxima da eutéctica. Se a temperatura for excessiva pode ocorrer fusão parcial da liga e as propriedades mecânicas serão degradadas. Por outro lado, tempo ou temperatura de tratamento insuficiente geram uma dissolução insuficiente dos elementos na liga e o grau de homogeneidade pretendido não é alcançado, resultando num endurecimento inferior ao alcançado com a utilização dos parâmetros corretos. Em suma, a solubilização resulta na dissolução do Si e Mg na matriz de alumínio, na esferoidização das partículas do silício, na homogeneização da composição química e na dissolução das partículas ricas em ferro, Al5FeSi. Fig. 7Esquema do diagrama de equilíbrio com indicação das temperaturas das diferentes etapas do tratamento térmico de envelhecimento. 12 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 8Esquema de tratamento térmico de envelhecimento. Arrefecer rapidamente a peça solubilizada tem como objetivo evitar a precipitação durante o arrefecimento e manter o soluto em solução sólida. Arrefecimento rápido não significa arrefecer o mais rapidamente possível. O arrefecimento deve ser controlado, de modo a diminuir o período de tempo na gama de temperatura à qual pode ocorrer a precipitação, pois essa precipitação limita, e pode mesmo eliminar, o endurecimento na terceira etapa do tratamento térmico [7, 20]. Geralmente, o meio arrefecedor é água à temperatura de 60 °C. Utiliza-se esta temperatura para evitar distorções nas peças, hipótese provável para fundidos com formas complexas ou secções de espessura reduzida arrefecidos abruptamente. Caso a temperatura do meio arrefecedor seja muito elevada, poderá ocorrer precipitação das fases de equilíbrio [20]. É importante referir que, para evitar precipitação entre o tratamento térmico de solubilização e o arrefecimento, a transferência da peça para o meio arrefecedor deve ser efetuada o mais rápido possível, tabela 2, e a capacidade de absorção de calor do meio arrefecedor deve ser elevada [7]. Tabela 2Tempo máximo de transferência da peça do forno de solubilização para o meio arrefecedor. Espessura (mm) Tempo máximo (s) Até 0,41 5 0,41 - 0,79 7 0,79 – 2,29 10 Superior a 2,29 15 13 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) O envelhecimento é o último passo do tratamento térmico, tem como finalidade a obtenção de uma distribuição densa e uniforme de precipitados que atribuem à liga uma maior resistência mecânica e dureza. Pode ser realizado à temperatura ambiente e é designado envelhecimento natural, ou a temperaturas superiores, geralmente entre 150 e 210 °C, e então é designado envelhecimento artificial. No envelhecimento, a peça é aquecida até a temperatura T1, representada nas figuras 7 e 8, temperatura suficiente para gerar taxas de difusão capazes de promover a nucleação de precipitados metastáveis ricos em soluto. Após terminado o envelhecimento, a peça é arrefecida até à temperatura ambiente [7, 19, 21]. A resistência e dureza alcançada pela liga dependem da temperatura e do tempo de envelhecimento. O endurecimento ocorre por precipitação de compostos intermetálicos de Mg e Si, com composição próxima da fase Mg2Si, atuando como obstáculo ao movimento das deslocações. A sequência de precipitação durante o envelhecimento pode ser descrita do seguinte modo: Solução sólida supersaturada – Zonas G.P. (Guinier Preston) na forma de agulhas – Precipitados β’’ e β’ com forma de bastão – Plaquetas de Mg2Si. Como a sequência acima indica, em primeiro lugar existe a formação das zonas GP a partir da solução sólida sobressaturada, que devido à sua instabilidade se decompõem rapidamente em fases metastáveis. No início da decomposição da solução sólida, os precipitados são finos e a sua estrutura é coerente com a matriz e, com o decorrer do envelhecimento, os precipitados crescem, tornando-se semi-coerentes e por fim incoerentes, o progresso da estrutura dos precipitados é exposto na figura 9. Fig. 9Sequência de formação de precipitados a partir de uma solução sólida sobressaturada das ligas Al-Si-Mg [6] 14 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Os precipitados coerentes com a matriz, zonas GP, são facilmente cortados por deslocações, gerando uma distorção localizada na rede de solução sólida. As zonas GP dão origem a precipitados mais grosseiros, β’’, que podem ser coerentes ou semi-coerentes com a matriz. Com o aumento do tamanho, estes precipitados deixam de poder ser cortados pelas deslocações. Com a progressão do envelhecimento formam-se os precipitados β’ semi-coerentes com a matriz. Finalmente formam-se precipitados de equilíbrio β, com composição Mg2Si [7, 23, 24]. O sobre envelhecimento, diminuição da dureza após o máximo, é normalmente atribuído à formação das fases β’ e β. Na liga em estudo, além da formação de Mg2Si também se verifica a precipitação de silício, o número de precipitados de silício aumenta com o aumento do tempo de envelhecimento. Tal acontece devido ao excesso de silício dissolvido na matriz e que não é utilizado na formação de Mg2Si [10]. O tempo necessário para a formação das zonas GP é inversamente proporcional à temperatura de envelhecimento, ou seja, aumentando a temperatura de envelhecimento diminui o tempo necessário para a formação destas zonas. Se o tempo de envelhecimento for excessivo ou a temperatura demasiado elevada os precipitados crescem, aumentando o espaçamento entre partículas por formação de fase estável. Este crescimento, por coalescimento, está associado à formação da fase de equilíbrio e ao o sobre envelhecimento, a resistência mecânica da liga é menor em comparação com o ponto de resistência máxima, conseguido com a formação da fase β’’, como representado na figura 10 [19]. Fig. 10Esquema da evolução da resistência e dureza da liga em função do tempo de envelhecimento, para temperatura constante [15]. 15 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) O parâmetro temperatura influencia em grande escala a cinética de precipitação. Uma temperatura superior irá levar a liga a atingir o seu máximo de dureza em menos tempo, pois verifica-se um aumento da velocidade de difusão. Este aspeto é descrito pela equação de Arrhenius [21]: Velocidade da difusão = Ce-Q/RT, em que C é uma constante independente da temperatura, Q é a energia de ativação, R é a constante dos gases perfeitos e T a temperatura utilizada durante o envelhecimento. O aumento da temperatura de envelhecimento acelera a precipitação e a formação de fases estáveis ocorre mais cedo. No entanto, a densidade de precipitação é menor e o endurecimento mais baixo [21]. De modo a exemplificar a influência da temperatura e do tempo de envelhecimento, é utilizada a figura 11: 1A tensão de rotura mais elevada é conseguida com o envelhecimento à temperatura mais baixa, a 150 °C, e é alcançada ao final de, sensivelmente, 7 horas de tratamento. Para temperaturas superiores, 205 e 260 °C, a tensão de rotura máxima é alcançada mais cedo, ao final de 1 hora. À temperatura de 150 °C, a tensão de rotura estabiliza com o tempo de tratamento, até às 24 horas, enquanto para as restantes temperaturas de tratamento, após atingir o pico, a tensão de rotura diminui progressivamente. 2a tensão limite de proporcionalidade comporta-se do mesmo modo da tensão de rotura, com a diferença do máximo ser idêntico para as duas temperaturas de envelhecimento mais baixas, 150 e 205 °C, com a particularidade de a 205 °C o valor máximo ocorrer para tempos mais curtos de tratamento; 3a extensão após rotura diminui com o tempo de envelhecimento para todas as temperaturas. No caso do envelhecimento às temperaturas de 205 e 260 °C, a extensão após rotura aumenta com o prolongamento do envelhecimento. 22 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 2.5. Tratamento térmico de envelhecimento Os tratamentos térmicos de solubilização foram realizados à temperatura de 515 °C com duração de 15, 30, 45, 60, 300, 600 e 900minutos. O tempo do tratamento de solubilização foi contado a partir do instante em que foi registada a temperatura de 515 °C depois das amostras estarem colocadas no forno. De modo a testar a influência da temperatura no tratamento térmico foram realizadas solubilizações durante 120 minutos às temperaturas de 470, 495, 505, 530 e 560 °C. Após tratamento de solubilização as amostras foram arrefecidas em água a 60 °C, sem agitação, e guardadas num congelador de modo a evitar o envelhecimento natural. Foram realizados três tratamentos de envelhecimento: a 160 °C durante 60, 240, 480, 720 e 1440 minutos; a 180 °C durante 10, 30, 60, 90 e 120 minutos; e a 210 °C durante 5, 10, 15, 30 e 60 minutos. Após envelhecimento as peças foram arrefecidas ao ar. Os tratamentos térmicos foram realizados num forno elétrico do tipo mufla com o controlador EUROTHERM 3216, que permitiu manter a temperatura previamente definida. As amostras foram colocadas quando a temperatura do forno se encontrava à temperatura programada. 2.6. Ensaio de dureza Rockwell B Foi realizado o ensaio de macro dureza Rockwell B para avaliar o efeito do envelhecimento nas propriedades mecânicas da liga. O ensaio de macro dureza Rockwell B realizado de acordo com a norma ASTM E 18. O indentador usado foi uma esfera de aço com 1,588 mm de diâmetro e a força aplicada de 981 N. 23 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 3. Discussão e análise dos resultados 3.1. Caracterização microestrutural A divisão da peça, como já referido, tem como finalidade elaborar uma caracterização da microestrutura que abarque todas as possíveis morfologias presentes ao longo da peça. Este aspeto torna-se importante devido ao facto de ser uma peça elaborada por fundição injetada e ser possível a existência de taxas de solidificação diferentes, gerando uma microestrutura heterogénea. A caracterização de cada amostra incidiu nas áreas identificadas com letras (de a a f), na figura 17. A seleção efetuada visa a caracterização de zonas finas e maciças da peça para evidenciar possíveis heterogeneidades estruturais. A peça foi facultada já no estado final e, como tal, é difícil dizer com total certeza quais as zonas mais massivas, pois com as operações de acabamento podem ter removido bastante material. Por exemplo, é percetível que os furos mais pequenos foram maquinados após vazamento, mas os maiores provavelmente já faziam parte do desenho da peça vazada. Começando com uma avaliação sobre a massividade da peça é de referir que existem diferenças bem visíveis ao longo desta. A zona 1 a) é a que aparenta possuir menor espessura e a zona 1b) o local com espessura mais elevada em conjunto com a zona 3. A zona 5 possui uma espessura ligeiramente inferior às zonas 1 b) e 3. Fig. 17Divisão da peça e áreas analisadas em cada uma das amostras. É possível verificar alguns defeitos quando se efetua o corte da peça, sendo eles rechupes e poros. Os poros são derivados de gás existente aquando a injeção do metal fundido para os moldes, que com a posterior solidificação do metal fica preso 24 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) na peça. Já os rechupes são devido à contração do metal, este aspeto pode ser evitado com a alteração da disposição dos alimentadores e/ou gitos de descida. O tratamento térmico de solubilização, principalmente a etapa de solubilização, irá acentuar os defeitos existentes. Os rechupes poderão aumentar o seu tamanho e o gás preso dentro das amostras pode criar bolhas na superfície da amostra bem como gerar poros. Os defeitos estão também dependentes da temperatura utilizada, no sentido em que quanto mais elevada a temperatura utilizada maior a probabilidade dos defeitos se fazerem notar com maior intensidade. 3.2. Microestrutura em bruto de vazamento A liga em estudo, AlSi10Mg(Fe), é composta por dendrites de alumínio próeutéctico numa matriz eutéctica de alumínio-silício. A morfologia do silício eutéctico é apresentada sob forma acicular e grosseira, como se pode observar na figura 16. A análise à figura 18 permite identificar algumas heterogeneidades da microestrutura, existindo zonas com uma microestrutura grosseira e zonas com uma microestrutura fina. As amostras com microestrutura mais fina, são as da zona 5 e indicam uma taxa de solidificação superior às amostras com microestrutura mais grosseira, que são as zonas 1 e 3. Este aspeto é resultante das diferentes condições de solidificação da peça bem como das diferenças volúmicas que a peça apresenta. A zona 1 e zona 3, de maior massividade que a zona 5, apresentam uma microestrutura grosseira e este aspeto indica uma taxa de solidificação lenta o suficiente para permitir o crescimento da microestrutura. É nas zonas em que se verificam taxas de solidificação menores que se podem ver os precipitados de Al5FeSi, figura 19, pois se a taxa de solidificação for elevada a formação destes precipitados é reduzida ou mesmo inexistente e no caso de se formarem não atingem uma dimensão que os permita distinguir visualmente das agulhas de silício eutéctico [25]. A zona 5, como referido anteriormente, apresenta uma espessura reduzida, quando comparada com as zonas 1 b) e 3, este fator traduz-se numa taxa de solidificação mais elevada. Uma taxa de solidificação elevada gera uma microestrutura mais fina, sendo este aspeto visível nas imagens da microestrutura da zona 5. 25 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 18Microestrutura da liga AlSi10Mg(Fe) em bruto de vazamento. Através da análise à figura 19 e por comparação com imagens consultadas na referência [25], é possível identificar a fase assinalada como sendo o composto intermetálico Al5FeSi. O Al5FeSi é caracterizado por se apresentar sob a forma de agulhas finas e de comprimento bastante superior às restantes fases, precipita nas regiões interdendriticas e intergranulares sob a forma placas [25]. Não existindo manganês na composição da liga as agulhas de Al5FeSi aumentam com o aumento do teor de ferro e/ou a diminuição da taxa de arrefecimento, este composto é prejudicial para as propriedades mecânicas das ligas de alumínio-silício [25, 26, 27]. 26 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Os precipitados para serem completamente dissolvidos têm de se aplicar temperaturas elevadas, superiores às aconselhadas para tratamento de solubilização. O composto Al5FeSi necessita de temperaturas na ordem dos 575 °C e o Mg2Si de, sensivelmente, 555 °C [25]. Assim, devido à aplicação de temperaturas inferiores às capazes de dissolver completamente o composto Al5FeSi irá existir mesmo após solubilização, o Mg2Si se existir será em quantidades muito reduzidas [25]. Fig. 19Identificação da fase Al5FeSi, a) imagem recolhida da liga em estudo, AlSi10Mg(Fe) e b) imagem recolhida de referência bibliográfica [25]. A figura 20 ilustra o precipitado Mg2Si, este precipitado é também denominado por escrita chinesa, devido à forma que apresenta, podendo também possuir uma morfologia lamelar de acordo com a bibliografia [15, 25]. Fig. 20Identificação do precipitado Mg2Si, a) imagem recolhida por microanálise e b) imagem recolhida da referência [26]. 3.2.1. Ensaio de calorimetria diferencial de varrimento - DSC O ensaio DSC foi realizado para estudar a fusão e solidificação da liga AlSi10Mg(Fe). O estudo da fusão para determinar a temperatura de início de Al5FeSi 27 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) solidificação, indicando a temperatura máxima para o tratamento térmico de solubilização, de modo a eliminar o risco de fusão localizada. Como se pode ver na figura 21 a liga vazada só apresenta um pico, correspondendo à fusão, não sendo possível apurar a fusão do eutéctico da fusão do Al primário. Os gráficos representativos dos ensaios DSC realizados são apresentados nas figuras 21, fusão, e 22, solidificação. Os valores referentes às temperaturas de início e dos picos de transformação, assim como o calor envolvido nas transformações são apresentados na tabela 4. Os Valores dos picos na fase de arrefecimento do ensaio de DSC estão distinguidos por (1) e (2), representando a solidificação do eutéctico e do alumínio primário respetivamente. Pelos valores apresentados na tabela 4 observa-se que os ensaios decorridos a uma taxa de aquecimento de 20 °C/min apresentam temperaturas de onset e pico ligeiramente superior ao ensaio realizado a 10 °C/min. A etapa de solidificação para a taxa de arrefecimento de 20 °C/min é idêntica aos ensaios realizados à taxa de 10 °C/min. Fig. 21Curva de CVD, obtida durante o aquecimento até 640 °C a uma taxa de 10 °C/min, de uma amostra da zona 1. -3.000.000 -2.500.000 -2.000.000 -1.500.000 -1.000.000 -500.000 0 500.000 Heat Flow (mW/mg) Temperatura (°C) 28 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Fig. 22Curva de CVD, obtida durante o arrefecimento de 640 °C até temperatura ambiente a uma taxa de 10 °C/min, de uma amostra da zona 1. Tabela 4temperaturas e calores de fusão/solidificação, obtidos pelo ensaio de DSC. Transformação Transformação Fusão Solidificação Primária Eutética Taxa de aquecimento ou arrefecimento ºC/min 10 20 10 20 10 20 Temperatura de início (ºC) 563 582 580 589 - - Temperatura de pico (ºC) 586 600 567 570 535 534 Entalpia (J/g) 308,7 245,8 - 268,7 - 290,9 - 268,7 - 290,9 Pelos resultados obtidos com os ensaios de DSC é possível observar que uma maior taxa de aquecimento e arrefecimento afetam especialmente a temperatura de fusão. Sendo, como se pode ver na tabela 4, a temperatura de fusão superior para o ensaio realizado a uma taxa de aquecimento superior. As temperaturas de solidificação, tanto primária como eutéctica são idênticas para as duas taxas de arrefecimento ensaiadas, pelo que é possível dizer que a taxa aplicada é mais influente na fusão da liga do que na sua solidificação. A entalpia das reações, em módulo, não é a mesma para a fusão e a solidificação. Para a taxa de 10 °C/min verifica-se que a entalpia da fusão é maior, em módulo, do que a da solidificação, já 0 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000 Heat Flow Temperatura (ºC) 29 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) para a taxa de 20 °C/min observa-se que a entalpia é maior, novamente em módulo, para a solidificação. 3.3. Evolução da microestrutura com o tratamento de solubilização a 515 °C De modo a estudar a influência do estágio de solubilização foram realizados vários tratamentos de solubilização à temperatura de 515 °C. Como já foi referido anteriormente, a solubilização promove a dissolução dos elementos de liga e a globulização das agulhas de silício eutéctico. As figuras 23 a 28 apresentam a evolução da microestrutura da liga AlSi10Mg(Fe) em função do tempo de estágio de solubilização a 515 °C. Para a zona 1 a), representada na figura 23, observa-se que ao fim de 30 minutos de estágio a 515 °C a microestrutura é fina e o silício eutéctico já se apresenta globulizado. Com o continuar da solubilização as partículas de silício eutéctico aumentam em tamanho e a partir dos 60 minutos, pela figura, é visível a diminuição do número de partículas de silício eutéctico. 30 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Zona 1 a) Fig. 23Evolução da microestrutura da zona 1 a) com o aumento do tempo de solubilização a 515°C 31 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Zona 1 b) A zona 1 b), representada na figura 24, aos 15 minutos de estágio apresenta as agulhas de silício eutéctico mais arredondadas, mas apenas a partir dos 300 minutos as partículas de silício se apresentam esféricas. Na figura vê-se, nos estágios de 45 e 60 minutos escrita chinesa, Mg2Si, a cinzento mais claro, e para os estágios de 300 e 600 minutos observa-se que os precipitados aparecem em menor número. 15 min Fig. 23 - Evolução da microestrutura da zona 1 b) com o aumento do tempo de solubilização a 515 °C. 38 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) O diâmetro das partículas é apresentado na figura 31. O diâmetro das partículas de silício eutéctico da amostra da zona 1 é estável ao longo dos vários períodos, sendo as variações visíveis derivadas das amostras serem de peças diferentes. Referente à zona 3, o diâmetro das partículas aumenta para o estágio de 900 minutos a 515 °C. O aumento do tamanho do diâmetro das partículas, da zona 2, é corroborado pela diminuição da densidade de partículas para o mesmo estado, referido no gráfico anterior. Para a zona 5 o diâmetro das partículas é aumenta logo no estágio de 15 minutos, o seu comportamento com o decorrer do estágio de solubilização é estável, não se observando variações em relação ao estágio de 15 minutos. Assim, como para a zona 3, por comparação com o gráfico da densidade de partículas o aumento do diâmetro é acompanhado pela diminuição da densidade. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 15 30 45 60 300 900 (Nº de partículas de Si por mm2 )* 103 Tempo (min.) zona 1 zona 3 zona 5 Fig. 28Variação do número de partículas de silício com o tempo de solubilização a 515 °C. 39 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) O fator de aspeto, figura 32, indica a globulização que as partículas de silício eutéctico sofrem com o decorrer do estágio de solubilização. Para a zona 1 observase que a globulização é maior partir do estágio de 300 minutos, sendo estável com o prolongar do tempo de solubilização. A zona 3 apresenta uma diminuição do fator de aspeto aos 45 minutos mas existe logo um aumento aos 60 minutos de estágio, esta variação deriva das amostras serem de diferentes peças e da escolha dos campos analisados influenciar também esta análise. O fator de aspeto menor é novamente alcançado para o estágio de 300 minutos, sendo estável com o continuar do tempo de solubilização. Para a zona 5 observa-se a diminuição do o fator de aspeto para o estágio de 30 minutos, sendo estável com o continuar do tempo de solubilização a 515 °C. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 15 30 45 60 300 900 Diâmetro (µm) Tempo (min.) zona 1 zona 3 zona 5 Fig. 29Variação do tamanho das partículas de silício com o tempo de solubilização a 515 °C. 40 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Após a análise de imagem para a solubilização realizada a 515 °C e sujeita a diferentes estágios de solubilização verifica-se que a temperatura e tempo de estágio recomendado pela bibliografia [18] são excessivos para se verificarem as condições microestruturais que levam a um aumento da dureza na etapa de envelhecimento. Pela interpretação dos gráficos um estágio de solubilização entre 15 e 30 minutos é suficiente para gerar a maior parte das alterações esperadas. Apenas o fator de aspeto necessita de um maior tempo de solubilização para atingir o mínimo, ou seja, para as partículas de silício se tornarem o mais esféricas possível através de solubilização, sendo o tempo para que tal aconteça de 45 minutos. 3.4. Evolução da dureza com o tratamento de solubilização a 515 °C. A evolução da dureza com o tempo de solubilização a 515 °C é apresentada na figura 33. É de referir que a dureza atinge o valor máximo ao final de 15 minutos de estágio à temperatura de 515 °C, observando-se uma ligeira diminuição com o prolongamento até 480 minutos e posterior aumento após 900 minutos. Observa-se que apenas com a etapa de solubilização a dureza da liga AlSi10Mg(Fe) é consideravelmente superior à da liga no estado em bruto de vazamento, aumentando de 25 para 85 , zona 1, de 14 para 84, zona 3 e de 15 para 95 HRB para a zona 5. 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 0 15 30 45 60 300 900 Factor de aspecto Tempo (min.) zona 1 zona 3 zona 5 Fig. 30Variação do fator de aspeto das partículas de silício com o tempo de solubilização a 515 °C. 41 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 3.5. Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura As microestruturas apresentadas nas figuras 34 a 39, são representativas dos diferentes locais em estudo da peça e são obtidas com estágios de 2 horas a diferentes temperaturas de solubilização. Zona 1 a) A microestrutura das amostras recolhidas na zona 1 a) e solubilizadas a diferentes temperaturas é apresentada na figura 34. Em relação ao estado em bruto de vazamento as alterações são notórias logo para o estágio a 475 °C, as partículas mais pequenas tornam-se esféricas e as agulhas, na sua maioria, ficam com as pontas mais arredondadas. Para as temperaturas mais elevadas o efeito descrito na frase anterior torna-se mais evidente, sendo que a partir do estágio a 515 °C observa-se que as agulhas estão arredondadas, mas a microestrutura vai-se tornando mais grosseira e a globulização é mais notória a partir da temperatura de solubilização de 530 °C. Aos 560 °C o composto Al5FeSi presente na liga AlSi10Mg(Fe) é observado em numero bastante menor em comparação com a utilização das temperaturas inferiores, mas a utilização de temperaturas mais elevadas, como 530 e 560 °C, potencia o aumento de defeitos. Para a temperatura ensaiada mais elevada o número e tamanho de defeitos é bastante superior às restantes temperaturas ensaiadas. Fig. 31Variação da dureza e média para as amostras em bruto de vazamento e após diferentes estágios de solubilização a 515 °C. 42 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Zona 1b) A figura 35 apresenta a microestrutura da zona 1 b) sujeita a diferentes temperaturas de solubilização e em comparação com o estado em bruto de vazamento é visível que a microestrutura gerada, mesmo para as temperaturas mais baixas ensaiadas, é mais grosseira e globulizada. Para esta zona observa-se que as agulhas de silício eutéctico, mesmo para a temperatura de 475 °C se tornam pouco visíveis, estando já bastante arredondadas. Para temperaturas mais elevadas a globulização vai aumentando e as agulhas vão progressivamente diminuindo até Fig. 32Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona 1 a). 43 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) deixarem de existir para a temperatura de 515 °C, mas utilização das temperaturas mais elevadas, 530 e 560 °C, gera uma microestrutura cada vez mais grosseira e esférica. Zona 3 c) Para a zona 3 c), figura 36, a microestrutura torna-se grosseira mesmo para a temperatura mais baixa ensaiada. As agulhas de silício tornam-se com arredondadas com a utilização de temperaturas de solubilização de 515 °C para cima e para as temperaturas de 530 e 560 °C observa-se que as partículas se encontram globulizadas. Novamente, para as duas temperaturas mais elevadas que foram Fig. 33Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona 1 b). 44 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) ensaiadas os defeitos tornam-se um fator bastante desfavorável, pois aumentam em número e, principalmente para 560 °C, aumentam o seu tamanho. Zona 3 d) A microestrutura da zona 3 d), representada na figura 37, torna-se mais grosseira logo para a temperatura de 475 °C, mas as agulhas de silício eutéctico ainda se encontram bem presentes. Para o estágio à temperatura de 495 °C observase o arredondamento das agulhas, só depois para a temperatura de 560 °C é que se observam novamente alterações significativas, sendo elas a globulização das Fig. 34Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona 3 c). 45 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) partículas de silício, ficando as partículas de silício eutéctico esféricas e a microestrutura torna-se ainda mais grosseira. Zona 5 e) A zona 5 e) no estado bruto de vazamento apresenta uma microestrutura fina e agulhas de silício são de pequenas dimensões. Com a solubilização a microestrutura, representada na figura 38, torna-se mais grosseira e as agulhas de silício mais arredondadas, mesmo para a temperatura mais baixa ensaiada. Para os Fig. 37Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona3 d). 46 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 515 ºC observa-se que as partículas de silício eutéctico estão globulizadas e a microestrutura ainda mais grosseira. Com a utilização das temperaturas 530 e 560 ºC as partículas ficam ainda mais esféricas e de maiores dimensões, bem como um aumento do número e tamanho de defeitos, rechupes e poros, presentes nas amostras. Zona 5 f) O comportamento da microestrutura para a zona 5 f), figura 39, é idêntico ao descrito acima na zona 5 e). Fig. 38Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona 5 e). 47 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Através da observação das figuras 34 a 39 é possível afirmar que a forma da microestrutura das amostras é alterada, bem como a forma, o tamanho e o número de partículas de silício eutéctico. Em relação à forma é de notar que o silício eutéctico presente sob a forma de agulhas, principalmente na microestrutura em bruto de vazamento, evolui para uma forma mais esférica com a utilização de uma temperatura de solubilização mais elevada. Fig. 39Efeito da temperatura de solubilização na microestrutura da zona 5 f). 54 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) Para o envelhecimento realizado a 210 °C, o valor de dureza máximo é alcançado ao fim de 15 minutos, 93 HRB. Para tempos de envelhecimento superiores a 15 minutos ocorre o sobre envelhecimento. Fig. 47Evolução da dureza com o tempo de envelhecimento a 210 °C, após solubilização a 515 °C durante 60 minutos. O valor máximo de dureza é semelhante para as três temperaturas de envelhecimento ensaiadas, sendo o mais baixo de 91 HRB (160 °C) e o mais elevado 96 HRB (180 °C). A diferença entre os três envelhecimentos reside no tempo de estágio para atingir o pico de dureza: 60 minutos a 160 °C, 30 minutos a 180 °C e 15 minutos a 210 °C. 3.6.2. Influência da duração do tratamento de solubilização a 515 ºC na dureza após envelhecimento a 180 °C. Sendo o envelhecimento a 180 °C aquele que permitiu obter valores de dureza mais elevados, foi esta a temperatura selecionada para estudar a influência do tratamento de solubilização na evolução da dureza durante o envelhecimento. Foram testados tempos de solubilização de 15, 60 e 480 minutos a 515 °C. A dureza registada para cada uma das situações é apresentada na figura 48, observa-se que o maior valor de dureza registado ocorre após a solubilização de 15 minutos a 515 °C, 97 HRB. De notar que a dureza máxima alcançada após solubilização de 60 minutos é muito semelhante, 96 HRB, 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 Dureza (HRB) Tempo (min.) 210 ºC 55 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) enquanto após 480 minutos é um pouco inferior, 92 HRB. A dureza mais elevada é alcançada ao fim de 30 minutos de envelhecimento para todas os tempos de solubilização. A maior diferença está associada à diminuição de dureza após o máximo, durante o sobre envelhecimento, cuja diminuição é menor para as amostras solubilizadas a 515 °C durante 60 minutos. Durante o envelhecimento a dureza é inferior à alcançada após solubilização, como se verifica para os tempos de envelhecimento de 90 e 120 minutos após as solubilizações de 15 e 480 minutos. Fig. 48Evolução de dureza com o tempo de envelhecimentos a 180 °C, após solubilização a 515 °C durante 15, 60 e 480 minutos. 15 25 35 45 55 65 75 85 95 0 20 40 60 80 100 120 140 Dureza (HRB) Tempo (min.) Sol 515 ºC, 15 min. Sol 515 ºC, 480 min. Sol 515 ºC, 60 min. 56 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 57 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 4. Conclusões A presente dissertação teve como objetivo o estudo o tratamento térmico de envelhecimento da liga de alumínio de fundição AlSi10Mg(Fe). A liga em bruto de vazamento apresenta uma microestrutura constituída por dendrites de uma solução sólida de alumínio, constituinte eutéctico (formado pelas fase Al e Si) e pelos compostos Mg2Si e Al5FeSi. Esta microestrutura apresenta uma dureza média de 20 HRB. Foi estudado o efeito dos parâmetros de tratamento térmico, tempo e temperatura, na microestrutura e dureza da liga. Da análise dos resultados deste estudo as conclusões que a seguir se descrevem. Durante o tratamento de solubilização ocorre a esferoidização das partículas do silício e a sua dissolução, com o prolongamento do tratamento ocorre o crescimento por coalescimento desta fase. A solubilização do silício conduz a um endurecimento por solução sólida considerável após arrefecimento rápido, de sensivelmente 20 HRB no estado bruto de vazamento para 85 HRB. A solubilização a uma temperatura de 515 °C durante 30 minutos é suficiente para gerar as alterações microestruturais esperadas. Utilizando o método de análise PAQI observa-se que um estágio de 30 minutos é capaz de gerar as alterações esperadas. É assim possível referir que o tempo e temperatura indicada pela norma para a solubilização das ligas de alumínio AlSiMg são excessivos. A solubilização a 515 °C e durante 15 minutos é a que possibilita alcançar melhores valores de dureza, 86 HRB, mas as alterações microestruturais, como esferoidização e dissolução das fases intermetálicas é mais vantajosa para o estágio de 60 minutos, como se pode observar pela análise de imagem e pela análise das microestruturas após solubilização. A medição de dureza aferiu que para a temperatura de 515 °C o pico de dureza é alcançado ao final de 15 minutos de solubilização, sendo da ordem dos 85 HRB (zona 1), 84 HRB (zona 3) e 89 HRB (zona 5). O valor de dureza com o estágio de 60 minutos é idêntico ao pico, 84 HRB (zona 1), 83 HRB (zona 3) e 84 HRB (zona 5), o que valida os resultados obtidos por micro análise. É assim possível referir que o tempo e temperatura indicada pela norma para a solubilização das ligas de alumínio AlSiMg são excessivos, sendo obtidos resultados positivos para a temperatura de 515 °C e 60 minutos de estágio. O envelhecimento realizado à temperatura de 180 °C é o que conduz a um maior endurecimento. A máxima dureza, 96 HRB é obtida com um tratamento de 58 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) solubilização a 515 °C com um estágio de 15 minutos, arrefecimento em água a 60 °C e posterior envelhecimento a 180 °C durante 30 minutos. Se o envelhecimento, a 180 °C, for superior a um período de 30 minutos, a dureza diminui em consequência do sobre envelhecimento da liga. A diferença entre os valores máximos de dureza obtida com solubilizações de 15 a 60 minutos a 515 °C é muito reduzida. Assim, e de acordo com os resultados obtidos, a seleção dos parâmetros de tratamento térmico de envelhecimento deve ser feita com base em considerações energéticas/económicas. 59 Tratamento térmico de envelhecimento da liga de fundição AlSi10Mg(Fe) 5. 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