Propriedades de alumínio fundido

1. Sumário executivo

O alumínio fundido combina baixa densidade, boa força específica, excelente moldabilidade e resistência à corrosão com ampla flexibilidade de processo.

Suas propriedades são fortemente dependentes da química da liga, método de fundição e tratamentos pós-moldados (Por exemplo, tratamento térmico, acabamento superficial).

Compreendendo as constantes físicas, drivers microestruturais, relações processo-propriedade e modos de falha comuns são essenciais para selecionar alumínio fundido para durabilidade, leve, componentes fabricáveis.

2. Introdução – por que o alumínio fundido é importante

Fundições de alumínio são fundamentais na indústria automotiva, Aeroespacial (peças não críticas), marinho, eletrônica de consumo, transmissão de energia, trocadores de calor, e equipamentos industriais em geral.

Os designers escolhem o alumínio fundido quando uma geometria complexa, recursos integrados, baixo peso da peça (força/rigidez específica), e resistência à corrosão razoável são necessárias.

O apelo é uma combinação de desempenho físico, economia industrial em escala, e reciclabilidade.

3. Propriedades físicas de alumínio fundido

4. Metalurgia e microestrutura do alumínio fundido

Elenco ligas de alumínio são normalmente baseados no alumínio (Al) matriz com adições controladas:

• Família Al-Si (Silumin) é a família de fundição mais utilizada porque o silício melhora a fluidez, reduz o encolhimento, e reduz a faixa de fusão.
  Microestrutura: Matriz dendrítica α-Al com partículas eutéticas de Si; morfologia e distribuição de Si afetam fortemente a resistência, ductilidade e desgaste.
• Al-Si-Mg ligas são tratáveis ​​termicamente (endurecimento por envelhecimento por meio de precipitados como Mg₂Si).
• Al–Cu e Al–Zn ligas fundidas oferecem maior resistência, mas podem ter resistência à corrosão reduzida e exigir tratamento térmico cuidadoso.
• Intermetálicos (Fases ricas em Fe, Fases C-To) se formam durante a solidificação e influenciam as propriedades mecânicas e a usinabilidade.
  Química controlada e tratamento (Por exemplo, Mn para modificação de Fe) são usados ​​para limitar morfologias intermetálicas deletérias.
• Segregação dendrítica é inerente à solidificação: dendritos primários de α-Al e eutéticos interdendríticos; espaçamento mais fino entre braços dendríticos (resfriamento rápido) geralmente melhora as propriedades mecânicas.

Mecanismos importantes de controle microestrutural:

• Refinamento de grãos (De, Adições B ou inoculantes para refino de grãos) reduz o rasgo a quente e melhora as propriedades mecânicas.
• Modificação (Por exemplo, Sr, Modificação de Na para Si) transforma Si semelhante a placa em morfologias fibrosas/arredondadas, melhorando a ductilidade e a tenacidade.
• Desgaseificação e controle de hidrogênio são críticos: hidrogênio dissolvido causa porosidade de gás; a desgaseificação e o manuseio adequado do fundido reduzem a porosidade e melhoram a fadiga.

5. Propriedades mecânicas (força, ductilidade, dureza, fadiga)

Resistência e ductilidade

• As ligas de alumínio fundido abrangem um amplo espectro de resistência/ductilidade.
  As resistências à tração fundidas para ligas de fundição comuns de Al-Si normalmente caem na faixa de centenas de MPa quando tratadas termicamente; não modificado, microestruturas eutéticas grosseiras e porosidade menor resistência e alongamento.
• Tratamentos térmicos (tratamento de solução, Querece, envelhecimento artificial – comumente chamado de T6) precipitar fases de fortalecimento (Por exemplo, Mg₂si) e pode aumentar significativamente o rendimento e a resistência à tração final.

Dureza

• A dureza se correlaciona com a liga, conteúdo primário de Si, e tratamento térmico. Ligas hipereutéticas de Al-Si (alto Si) e ligas tratadas termicamente apresentam maior dureza e resistência ao desgaste.

Fadiga

• O alumínio fundido geralmente tem menor desempenho de fadiga do que ligas forjadas de resistência à tração semelhante porque defeitos de fundição (porosidade, filmes de óxido, encolhimento) atuam como locais de iniciação de crack.
  A vida à fadiga é extremamente sensível à qualidade da superfície, porosidade, e recursos de entalhe.
• Melhorando a fadiga: reduzir a porosidade (desgaseificação, solidificação controlada), refinar microestrutura, shot peen ou acabamento superficial, e usar o design para minimizar as concentrações de tensão.

Fluência e temperatura elevada

• As ligas de alumínio têm resistência limitada a altas temperaturas em comparação com os aços; a fluência torna-se relevante acima de ~150–200 °C para muitas ligas fundidas.
  A seleção para temperaturas elevadas sustentadas requer ligas especiais e concessões de projeto.

6. Propriedades térmicas e elétricas

• Condutividade térmica: O alumínio fundido mantém boa condutividade térmica em comparação com a maioria dos metais estruturais, tornando-o favorável para dissipadores de calor, carcaças e componentes onde a transferência de calor é importante.
  No entanto, liga, porosidade e microestrutura reduzem a condutividade em comparação com Al puro.
• Expansão térmica: CTE relativamente alto (~22–24×10⁻⁶ K⁻¹) exige tolerância cuidadosa e projeto de junta com materiais de baixo CTE (aço, cerâmica) para evitar estresse térmico ou falha de vedação.
• Condutividade elétrica: Menor em ligas fundidas do que Al puro; ainda usado onde a condutividade específica do peso é importante (Por exemplo, barbos, caixas combinadas com condutores).

7. Corrosão e comportamento ambiental

• Proteção nativa contra óxido: O alumínio forma espontaneamente uma camada fina, Filme aderente de óxido de Al₂O₃ que proporciona boa resistência geral à corrosão em muitas atmosferas.
• Pitting em ambientes de cloreto: Em ambientes agressivos contendo cloreto (respingo marinho, sais de degelo), Pode ocorrer corrosão localizada por pites ou em frestas, especialmente onde os intermetálicos criam locais microgalvânicos.
• Considerações galvânicas: Quando acoplado a metais mais nobres (Por exemplo, aço inoxidável), o alumínio é anódico e irá corroer preferencialmente se conectado eletricamente em um eletrólito.
• Medidas de proteção: Seleção de ligas, Revestimentos (Anodizando, revestimentos de conversão, tintas, casaco em pó), selantes nas juntas e design para evitar fendas melhoram o desempenho contra corrosão a longo prazo.

8. Processos de fundição e como eles afetam as propriedades

Diferentes rotas de fundição produzem microestruturas características, acabamentos de superfície, tolerâncias e propriedades mecânicas:

• Fundição de areia: Baixo custo de ferramentas, boa flexibilidade de design, microestrutura mais grosseira, maior risco de porosidade, acabamento superficial áspero. Típico para grandes, peças de baixo volume. Propriedades mecânicas geralmente inferiores às da fundição sob pressão.
• Morrer (de alta pressão) elenco: Parede fina, tolerâncias estreitas, excelente acabamento superficial e altas taxas de produção.
  A solidificação rápida produz microestrutura fina e boas propriedades mecânicas, mas as peças fundidas geralmente contêm gás e porosidade de contração; muitas ligas fundidas sob pressão não são tratáveis ​​termicamente da mesma forma que as ligas Al – Si – Mg fundidas em areia.
• Fundição em molde permanente (gravidade): Microestrutura melhorada vs fundição em areia (porosidade inferior, melhores propriedades mecânicas), custo moderado de ferramentas.
• Investimento (Lost Wax) elenco: Excelente acabamento superficial e geometrias complexas, usado para peças de precisão em volumes moderados.
• Elenco centrífugo / Squeeze fundição: Útil onde são necessárias alta integridade e solidificação direcional (peças cilíndricas, peças fundidas para aplicações contendo pressão).

Trocas entre processo e propriedade:

• Resfriamento mais rápido (morrer de elenco, molde permanente com calafrios) → espaçamento mais fino dos braços dendríticos → maior resistência e ductilidade.
• Controle de porosidade (desgaseificação, fundição pressurizada) → crítico para aplicações sensíveis à fadiga.
• A escolha econômica depende do tamanho da peça, complexidade, custo unitário e requisitos de desempenho.

9. Tratamento térmico, liga, e controle de microestrutura

Esta seção resume como a química das ligas, a prática de fundição e o processamento térmico pós-moldado interagem para determinar a microestrutura - e, portanto, a mecânica, propriedades de fadiga e corrosão - de alumínio fundido.

Principais elementos de liga e seus efeitos

Precipitação (idade) endurecimento - mecanismos e etapas

Muitas ligas fundidas de Al – Si – Mg são tratáveis ​​termicamente através do endurecimento por precipitação (Famílias T-temp). A sequência geral:

1. Tratamento de solução - manter em temperatura elevada para dissolver fases solúveis (Por exemplo, Mg₂si) em uma solução sólida homogênea supersaturada.
   As temperaturas típicas de solução para ligas de fundição de Al-Si comuns são altas o suficiente para se aproximarem, mas não excederem, a fusão incipiente; os tempos dependem da espessura da seção.
2. Querece - resfriamento rápido (Queret de água, têmpera de polímero) para reter uma solução sólida supersaturada à temperatura ambiente.
   A taxa de têmpera deve ser suficiente para evitar precipitação prematura que reduza o potencial de endurecimento.
3. Envelhecimento - reaquecimento controlado (envelhecimento artificial) para precipitar partículas finas de fortalecimento (Por exemplo, Mg₂si) que impedem o movimento de deslocamento.
   Muitas vezes há uma condição de pico de dureza (idade máxima); o envelhecimento adicional causa engrossamento e envelhecimento excessivo (força reduzida, maior ductilidade).

Os estágios de precipitação normalmente procedem de Guinier-Preston (GP) zonas (coerente, muito bom) → precipitados finos semicoerentes → precipitados mais grossos incoerentes.

Os precipitados coerentes/semicoerentes produzem o efeito de fortalecimento mais forte.

Duas designações de temperamento comuns:

• T6 - tratado com solução, temperado e envelhecido artificialmente até atingir o pico de resistência (comum para A356/T6 e ligas similares).
• T4 - naturais (temperatura ambiente) envelhecimento após extinção (nenhuma etapa de envelhecimento artificial) — fornece equilíbrio de propriedades diferente e é usado em aplicações específicas.

Consequência prática: ligas fundidas tratáveis ​​termicamente (Família Al – Si – Mg) podem ter sua resistência à tração e resistência ao escoamento aumentadas substancialmente com o processamento T6, muitas vezes ao custo de alguma ductilidade e maior sensibilidade a defeitos de fundição (saciar demandas, distorção).

Abordagens avançadas e tratamentos especializados

• Retrocesso e reenvelhecimento (RRA): usado em algumas ligas forjadas para recuperar propriedades após excursões térmicas; menos comum para peças fundidas, mas aplicável em casos de nicho.
• Envelhecimento em duas etapas ou envelhecimento em vários estágios: pode otimizar o equilíbrio resistência-ductilidade; receitas específicas ajustadas para liga e seção.
• Microligação com Zr/Sc/Be: em ligas de desempenho Zr ou Sc formam dispersóides que fixam o crescimento de grãos durante o tratamento térmico e melhoram a estabilidade em altas temperaturas; consideração de custo é alta.
• Pressionamento isostático quente (QUADRIL): reduz a porosidade interna e pode melhorar a vida útil em fadiga para peças fundidas de alta integridade (elenco de investimento, peças aeroespaciais de alto valor).

10. Considerações sobre acabamento de superfície e união

• Anodizando: espessamento eletroquímico do óxido por desgaste, resistência à corrosão e acabamento cosmético. Bom para peças fundidas se projetado para distribuição uniforme de corrente.
• Revestimentos de conversão (alternativas cromadas ou não cromadas): melhorar a adesão da tinta e a resistência à corrosão; cromatos historicamente usados, mas cada vez mais substituídos por razões ambientais.
• Pintura / revestimento em pó: comum para estética e proteção adicional contra corrosão; Preparação de superfície (limpeza, gravura) é crítico.
• Usinagem: alumínio fundido geralmente usina bem, especialmente ligas de Al-Si com classes de usinagem livre desenvolvidas para fundição sob pressão. Partículas intermetálicas e de Si duro afetam o desgaste da ferramenta.
• Soldagem: muitas ligas fundidas podem ser soldadas, mas é preciso ter cuidado: zonas afetadas pelo calor podem criar rachaduras ou porosidade; soldagem de reparo geralmente requer pré-aquecimento, metais de adição apropriados e tratamentos pós-soldagem.
  Algumas ligas fundidas com alto teor de Si são difíceis de soldar e são melhor reparadas mecanicamente..

11. Sustentabilidade, Economia, e considerações sobre o ciclo de vida

• Reciclabalidade: o alumínio é altamente reciclável; reciclado (secundário) o alumínio reduz drasticamente o uso de energia em relação à produção primária (economias de energia comumente citadas até ~90% em comparação com o alumínio primário).
• Custos do ciclo de vida: O menor peso da peça geralmente reduz a energia operacional em aplicações de transporte; os custos iniciais de fundição devem ser equilibrados com a manutenção, revestimentos e reciclagem em fim de vida.
• Circularidade material: sobras de fundição e peças em fim de vida são facilmente fundidas novamente; é necessário um controle cuidadoso da liga para evitar o acúmulo de impurezas (Fe sendo um problema comum).

12. Análise comparativa: Alumínio fundido vs.. Concorrentes

13. Conclusões

Alumínio fundido é um versátil, material de engenharia de alto valor cujo desempenho é determinado tanto por química de ligas e tratamentos pós-processo como pelo próprio metal.

Quando especificado corretamente, produzido e mantido, o alumínio fundido oferece uma combinação atraente de baixa densidade, boa força específica, alta condutividade térmica, resistência à corrosão e excelente moldabilidade—vantagens que o tornam o material preferido para carcaças automotivas, componentes de troca de calor, gabinetes de controle e muitas aplicações industriais e de consumo.

 

Perguntas frequentes

O alumínio fundido é mais fraco que o alumínio forjado?

Não inerentemente; muitas ligas fundidas podem alcançar pontos fortes competitivos, particularmente após tratamento térmico.

No entanto, peças fundidas são mais suscetíveis a defeitos específicos da peça fundida (porosidade, inclusões) que reduzem o desempenho de fadiga em comparação com forjado, ligas forjadas e formadas.

Qual processo de fundição oferece as melhores propriedades mecânicas?

Processos que promovem rápida, solidificação controlada e baixa porosidade (molde permanente, fundição sob pressão com desgaseificação adequada, Squeeze fundição) normalmente produzem melhores propriedades mecânicas do que peças fundidas em areia grossa.

O alumínio fundido pode ser tratado termicamente?

Sim, muitas ligas fundidas de Al–Si–Mg são tratáveis ​​termicamente (Tipo T6) para aumentar substancialmente a resistência através do tratamento de solução, Querece, e envelhecimento.

Como evito a porosidade nas peças fundidas?

Reduza o hidrogênio dissolvido (desgaseificação), controlar a turbulência do derretimento, use gating e risering adequados, aplicar filtragem, e otimizar a temperatura de vazamento e o design do molde.

O alumínio fundido é bom para ambientes marinhos?

O alumínio oferece boa resistência geral à corrosão devido à formação passiva de óxido, mas é vulnerável à corrosão localizada induzida por cloreto e à corrosão galvânica.; escolha de liga apropriada (ligas de grau marítimo), revestimentos e design são necessários para serviços marítimos de longo prazo.