Para alcançar os objetivos ambiciosos da indústria automobilística com relação à redução do consumo de combustível e das emissões de poluentes, faz-se necessário encontrar caminhos inovadores para o desenvolvimento de novos materiais para fundição, que atendam a estas condições.

Neste caso, as ligas de AlZnMgCu de alta resistência, que se destacam por resistências superiores a 600 MPa e apresentam um terço da densidade dos materiais ferrosos, mostram um potencial de solicitação especialmente elevado. Adicionalmente, este tipo de liga apresenta um efeito de autoendurecimento, não sendo absolutamente necessário realizar um tratamento térmico para se alcançar as mesmas propriedades de resistência das ligas AlSi7Mg ou AlSi10Mg, por exemplo, que requerem um tratamento térmico T6 (solubilização, resfriamento rápido e envelhecimento).

A tabela 1 reúne as ligas AlZnMgCu mais importantes.

O mecanismo de endurecimento destas ligas se baseia principalmente no impedimento do movimento de deslocamento por zonas GP (Guinier Preston) e de dispersoides metaestáveis da fase η-(MgZn2).

O comportamento de resistência depende da interação dos elementos de liga zinco (Zn), magnésio (Mg) e cobre (Cu) e de sua taxa de concentração mútua. Teores mais elevados de magnésio aumentam a resistência de maneira mais acentuada. O zinco também tem este efeito, mas não da mesma forma que o magnésio[2]. O cobre, por sua vez, melhora a resistência mecânica e o comportamento à corrosão sob tensão, mas diminui levemente a resistência à corrosão das ligas AlZnMgCu[3].

Desta forma, o limite de escoamento e a resistência à tração aumentam consideravelmente com a adição de até 2% (em peso) de

Fig. 1 – Coquilha em estrela, para o teste de trincas a quente

 

cobre e com teores de zinco entre 6% e 8% (em peso)[4].

Adições maiores de cobre resultam apenas em um aumento pequeno, em comparação com a adição de até 2%. Isso está relacionado com o fato da solubilidade máxima do cobre na temperatura de solubilização usual (460°C) alcançar apenas 1% a 2% nas ligas com 6% a 8% de zinco e 2,5% de magnésio[4]. Por este motivo, as l i g a s AlZnMgCu mais utilizadas atualmente na Alemanha (tipos 7075 e 7178) apresentam teores de cobre de 1,6% e 2%, respectivamente.

Até o momento, as ligas AlZnMgCu são produzidas principalmente nas condições de ligas maleáveis, pois apresentam uma alta susceptibilidade a trincas a quente, o que dificulta uma solidificação sem defeitos.

Fig. 2 – Montagem da análise térmica diferencial

 

Na referência bibliográfica 5, foi apresentada a liga AlZn7,4Mg2,5Cu2,9 de alta resistência, que foi otimizada especialmente para a fundição por gravidade em moldes permanentes. Com um índice de trincas a quente de 1,25 (coquilha tipo estrela a 300°C), esta liga pode ser alocada para o grupo de materiais com baixa sensibilidade a trincas a quente e que apresenta uma vantagem distinta em termos tecnológicos com relação à liga AlCu4,5Ti, cujo processamento na fundição por gravidade em moldes permanentes é bastante limitado (índice de trincas a quente de 3,75).

Neste trabalho, o objetivo é examinar a influência das adições de cobre sobre a tendência à formação de trincas a quente das ligas AlZnMgCu, com vistas a se obter novos conhecimentos do mecanismo de atuação deste elemento sobre este tipo de liga.

Realização dos ensaios

A liga básica utilizada foi a Castadur-50 (tabela 2), a qual foi acrescida de magnésio puro, zinco puro e cobre também puro. Os banhos fundidos de teste foram produzidos em um forno de resistência com capacidade para 3 kg e aquecidos até a temperatura de vazamento de 730°C.

O refino de grão foi realizado com a adição da liga mãe Al-Ti5B1, na forma de arame. A quantidade de agente de refino de grão acrescentada foi mantida constante em todos os testes, sendo de 0,2% (em peso).

Para a avaliação da tendência a trincas a quente, foi utilizada uma coquilha em forma de estrela[6], a qual foi aquecida a 300°C (figura 1). Neste teste, as trincas encontradas e as barras quebradas foram avaliadas e somadas, de acordo com o seguinte esquema:,

Fig. 3 – Determinação do ponto de coerência dendrítica (DCP) por meio da análise térmica diferencial da liga AlZn7,5Mg2,8Cu

 

• quantidade de barras completamente quebradas: x fator 1

• quantidade de trincas circunferenciais: x fator 0,75

• quantidade de trincas bem visíveis: x fator 0,5

• quantidade de trincas finas (só visíveis com lupa): x fator 0,25

 

O número de pontos calculado resulta no índice de trincas a quente e representa a tendência para o seu desenvolvimento nas ligas de alumínio.

A análise termodiferencial foi utilizada para determinar a influência do cobre sobre o ponto de coerência dendrítica das ligas AlZnMgCu[7]. A denominação ponto de coerência dendrítica refere-se àquele ponto em que o reticulado dendrítico a ser formado durante a solidificação forma uma unidade coerente. A partir deste momento, ocorre a formação de tensões no reticulado, as quais podem resultar em trincas na peça fundida.

O método de análise termodiferencial é baseado no princípio de que a

Fig. 4 – Microestrutura da liga AlZn7,5Mg2,8Cu1,6, conforme a peça fundida na coquilha em forma de estrela

 

condutividade térmica durante a solidificação se torna melhor com uma proporção maior da fase sólida. Como a solidificação avança a partir da parede interna do cadinho, nesta região existe uma velocidade de resfriamento maior do que na sua parte central.

Somente quando o reticulado da fase sólida fica completamente fechado, é que ocorre um fluxo de calor uniforme por meio do qual as curvas de resfriamento ficam mais parecidas. O ponto de coerência dendrítica é determinado pelo cálculo da curva derivada a partir das duas curvas registradas.

O ponto de coerência dendrítica se encontra no local em que a curva derivada apresenta um valor mínimo. Como a curva derivada apresenta fortes oscilações, o valor mínimo é identificado por uma função compensadora de segundo grau.

Para a realização das medições, foi utilizado um suporte de cadinho para um aparelho de análise térmica comercial (TA-100) e um cadinho de aço (figura 2). Os termoelementos foram mantidos na posição correta graças ao uso de um suporte para tripé, tendo sido protegidos contra a combustão por um tubo de quartzo. Deste modo, apenas as pontas dos termoelementos ficaram em contato direto com o banho fundido.

Fig. 5 – Microestrutura da liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8, conforme a peça fundida na coquilha em forma de estrela

 

O gráfico da figura 3 indica o ponto de coerência dendrítica, de acordo

com o método da análise termodiferencial da liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8.

 

Resultados e discussão

 

Sabe-se que uma susceptibilidade mínima às trincas a quente pode ser alcançada quando uma maior quantidade possível de eutético é precipitada nos contornos de grão.

Quando os limites de solubilidade do cristal misto de alumínio são ultrapassados, devido aos altos teores de cobre, zinco ou magnésio em uma determinada temperatura, a estrutura das ligas AlZnMgCu passam a apresentar fases eutéticas η-(MgZn2 ), T-(Al2Mg3 Zn3), S-(Al2CuMg) e θ- Al2Cu), cujas porcentagens volumétricas são determinadas basicamente pelos teores dos principais elementos de liga e pelos parâmetros de solidificação.

Tendo em vista que os teores de zinco e magnésio nos limites superiores da especificação exercem um efeito especialmente desfavorável sobre o comportamento da fragilização por corrosão sob tensão das ligas AlZnMgCu[8, 9], é vantajoso aumentar a proporção das fases eutéticas por meio da adição de cobre. Teores elevados

deste elemento, os quais foram utilizados nas pesquisas realizadas, em comparação com as especificações das ligas convencionais de AlZnMgCu, exemplificam o seu efeito sobre a tendência a trincas a quente e mostram os limites para o ajuste da composição da liga.

A tabela 3 apresenta as quantidades das fases eutéticas da liga com 7,5% de zinco e 2,8% de magnésio, em função do teor de cobre, as quais foram calculadas com o uso do programa Pandat[10] e do banco de dados PanAl5.0.

Como é possível perceber, o aumento da concentração de cobre resultou em um crescimento notável da quantidade total do eutético na estrutura. Isso acontece principalmente por causa da significativa precipitação das fases η-(MgZn2),

Fig. 6 – Curva de resfriamento da liga Al7,5Zn2,8MgCu1,6, que foi fundida na coquilha em forma de estrela

 

S-(Al2CuMg) e θ-Al2Cu. A formação da fase T-(Al Mg Zn ), por outro lado, é 2 3 3suprimida com adições de cobre acima de 2,4%.

O efeito favorável do cobre sobre a formação da fase η-(MgZn 2 ) era esperado, pois essa fase dissolve uma quantidade considerável deste elemento[11] e sua composição abrange as fases MgZn a Mg(Zn, Al, Cu) . 2 2

Os testes de fundição realizados para determinar a tendência a trincas a quente da liga AlZn7,5 Mg2,8Cu, em função do acréscimo de cobre, confirmaram a correlação entre a quantidade total das fases eutéticas na estrutura e os índices de trincas a quente medidos (tabela 4). Estes resultados permitem reconhecer que adições crescentes de cobre até um teor de 2,8% reduzem consideravelmente a tendência à formação de trincas a quente.

Entretanto, um aumento do teor de cobre para 3,6% deve ser evitado, pois as altas proporções da fase Al Cu 2provocam a deterioração do comportamento das trincas a quente. Em ligas com diferentes teores de cobre, as diferenças das quantidades precipitadas das fases eutéticas ficaram evidentes nas imagens fotomicroscópicas da estrutura dos corpos de prova produzidos na coquilha em forma de estrela.

Nas figuras 4 e 5, é possível reconhecer as fases eutéticas como áreas claras nos contornos de grão e das células. A porcentagem volumétrica do eutético, a qual foi determinada com o auxílio de um programa de análise de imagens, ficou em 4,6% na liga AlZn7,5Mg2,8Cu1,6, o que resulta em um alto índice de trincas a quente, e 6,7% na liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8, o que leva a uma baixa sensibilidade às trincas a quente.

A avaliação dos resultados da análise termodiferencial mostrou que a temperatura do ponto de coerência dendrítica assume valores menores com teores maiores de cobre, de acordo com a tabela 5.

As proporções da fase sólida no ponto de coerência (f ), as quais foram Scalculadas de acordo com o modelo de Scheil, alcançaram 13,5% e 19,9% nas ligas com 1,6% e 2,8% de cobre, respectivamente. Isso significa que a liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 consegue suportar tensões de contração claramente maiores, o que resulta em uma otimização da sua tendência a trincas a quente.

Uma contribuição importante para o entendimento do efeito positivo dos

Fig. 7 – Curva de resfriamento da liga Al7,5Zn2,8MgCu2,8, que foi fundida na coquilha em forma de estrela

 

teores crescentes de cobre sobre a tendência à formação de trincas a quente das ligas AlZnMgCu foi obtida com a avaliação das curvas de resfriamento das duas ligas, as quais foram medidas na coquilha em forma de estrela (figuras 6 e 7). Com o auxílio destes resultados, é possível concluir que as precipitações das fases S-(Al2CuMg), T-(Al2Mg3Zn3) e θ-(Al2Cu) provocam efeitos térmicos muito pequenos, independentemente da quantidade de cobre acrescentada, os quais não são visíveis nas curvas de resfriamento derivadas.

A pequena influência sobre a evolução das curvas de resfriamento provavelmente está relacionada com as proporções relativamente baixas destas fases na estrutura das ligas examinadas.

A precipitação da fase η-Mg(Zn,Al,Cu) 2 , por outro lado, torna-se claramente reconhecível pelo pico da curva da primeira derivada, tanto na liga AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 como na AlZn7,5Mg2,8Cu2,8.

Ao comparar os picos nas curvas de resfriamento, é possível reconhecer que o calor de cristalização da fase η-Mg(Zn,Al,Cu)2 fica claramente maior com um teor de cobre de 2,8% e que sua liberação se estende sobre um intervalo de tempo mais longo. Esta diferença no comportamento de solidificação resulta aparentemente em uma contração de solidificação mais lenta da liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 e reduz a formação acentuada de tensões internas no intervalo de temperatura crítico para a formação das trincas a quente.

 

Conclusões

 

Este trabalho examinou a influência de teores crescentes de cobre sobre a tendência à formação de trincas a quente das ligas AlZnMgCu.

As pesquisas realizadas possibilitaram algumas conclusões com base nos cálculos termodinâmicos feitos, nos resultados dos testes de vazamento e nas análises térmicas:

 

• Teores crescentes de cobre favorecem o aumento da quantidade total de fases eutéticas na estrutura e melhoram considerável a tendência a trincas a quente das ligas AlZnMgCu com até 2,8% de cobre. Um aumento da concentração deste elemento para 3,6% resulta em um novo aumento da tendência a trincas a quente, devido à formação acentuada da fase Al Cu.2

• O efeito positivo da adição de 2,8% de cobre, em comparação com o acréscimo de 1,6%, se manifesta especialmente na diminuição da temperatura do ponto de coerência dendrítica. A maior proporção de fase sólida logo em seguida ao contato mútuo entre os cristais reforça a estabilidade da estrutura cristalina da liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 e lhe confere uma maior resistência às trincas térmicas, em comparação com a liga AlZn7,5Mg2,8Cu1,6.

• A fase h dissolve uma quantidade considerável de cobre, de modo que a sua proporção na estrutura aumenta em consequência da adição deste elemento.

• Existe uma correlação entre o calor de cristalização da fase Mg(Zn,Al,Cu)2 e a tendência a trincas a quente das ligas AlZnMgCu. Quanto maior for o calor liberado na precipitação da fase Mg(Zn,Al,Cu) , menor será o 2índice de trincas a quente. Este efeito positivo se manifesta particularmente durante a solidificação da liga AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 e contribui consideravelmente para a melhora da tendência a trincas a quente.

• A avaliação da susceptibilidade às trincas a quente das ligas AlZnMgCu pode ser realizada com

• o auxílio da análise térmica. Como parâmetro para o controle da tendência à formação de trincas a quente, é oferecida a temperatura do ponto de coerência dendrítica, sendo que um valor menor é indício da otimização do comportamento das trincas a quente.