Desenvolvimento de um sistema experimental para o processamento semissólido e caracterização microestrutural e mecânica da liga Al-4,5CU-0,5Cr

Abstract

A otimização das propriedades mecânicas de ligas metálicas por meio de técnicas avançadas de fabricação é um tema amplamente explorado na ciência dos materiais. Neste trabalho foi desenvolvido um forno especial do tipo resistivo, equipado com um sistema de agitação mecânica promovido por uma haste giratória, para processar a liga de alumínio Al-4,5Cu-0,5Cr (porcentual em massa), através do do método de fabricação por fundição no estado semissólido conhecido como Semi solid Rheocasting, com o objetivo de modificar a microestrutura do material para melhorar propriedades como ductilidade e tenacidade. Foram feitas 4 séries de ensaios, desses, 3 foram processados por reofundição, onde se variou o tempo de agitação em 1, 2 e 4 minutos; mais um ensaio de referência sem agitação mecânica, através da fundição convencional com o resfriamento nas mesmas condições dos processados. A liga processada foi vazada em um molde de aço com seção retangular a temperatura ambiente. Após, as amostras foram usinadas, obtendo-se os corpos de prova para o ensaio de tração, dureza e análise metalográfica. O ensaio de tração revelou uma tendência de aumento da resistência mecânica com o aumento dos tempos de agitação, sendo o maior valor de limite de resistência a tração de 156 MPa e deformação de 4%, para 4 minutos de agitação. No ensaio de dureza Vickers, o valor máximo de dureza medido foi de 62,5 HV para a condição de 4 minutos de agitação. No exame metalográfico, foi notável a modificação da morfologia da fase primária α-Al entre o bruto de fusão e o material processado, em que as partículas da fase sólida passaram de uma estrutura majoritariamente dendrítica para uma globular. Os resultados mostraram um aumento do tamanho da partícula e do fator de forma conforme aumenta o tempo de agitação. O maior tamanho da partícula, acompanhado do maior fator de forma, ocorreu em 4 minutos de agitação, com o tamanho de 4600 μm² e fator de forma de 0,65. Também foi analisado o espaçamento interdendrítico secundário, revelando uma diminuição deste como consequência da agitação mecânica no estado semissólido. Com esses resultados, observou-se que o processamento pelo equipamento contribuiu positivamente na melhora do desempenho da liga.

In this work, a special furnace was developed to process the aluminum alloy Al-4.5Cu-0.5Cr through the Semi-solid Rheocasting manufacturing method, aiming to modify the material's microstructure to improve properties such as elongation and toughness. Four series of tests were conducted, with three processed by rheocasting, varying the stirring time at 1, 2, and 4 minutes; plus one reference test without mechanical stirring, using conventional casting with cooling under the same conditions as the processed samples. The processed alloy was cast into a steel mold with a rectangular section at room temperature. Subsequently, the samples were machined to obtain specimens for tensile testing, hardness testing, and metallographic analysis. The tensile test revealed a tendency of increased mechanical strength with increased stirring times, with the highest tensile strength value of 156 MPa and elongation of 4%, obtained at 4 minutes of stirring. In the Vickers hardness test, the highest hardness was 62.5 HV for the 4-minute stirring condition. In the metallographic examination, a notable modification of the primary α Al phase morphology was observed between the as-cast material and the processed material, where the grains transitioned from a predominantly dendritic structure to a globular one. The results showed an increase in grain size and shape factor as stirring time increased. The largest grain size, accompanied by the highest shape factor, occurred at 4 minutes of stirring, with a size of 4600 μm² and a shape factor of 0.65. The secondary interdendritic spacing was also analyzed, revealing a tendency of dendritic refinement as a consequence of mechanical stirring in the semi-solid state. With these results, it was observed that the processing equipment contributed positively to improving the alloy's performance.