Análise da solidificação de ligas de magnésio para aplicação na fabricação de motores

Abstract

Magnésio e suas ligas têm adquirido importância cada vez mais significativa como material estrutural de peso leve despertando um singular interesse pela indústria uma vez que oferece a melhor relação peso/resistência entre os metais. Os campos mais conhecidos de sua aplicação consistem na construção de veículos, na aeronáutica, manipulação industrial (robôs, automatização) e tecnologia de comunicação. Em particular, a indústria automobilística tem crescentemente ampliado a utilização de ligas de magnésio na produção de peças que vão desde caixas de câmbio até aros de rodas. As principais razões para este desenvolvimento são: mudanças na legislação ambiental, as exigências de cliente, e objetivos corporativos que requerem veículos mais leves diminuindo o consumo de combustível. O uso do magnésio para aplicações estruturais em altas temperaturas é limitado devido a sua baixa resistência à fluência. Isso se deve ao enfraquecimento do contorno de grão a partir da precipitação descontínua da fase b-Mg17Al12 de baixo ponto de fusão. Dentre as ligas de magnésio desenvolvidas para resistência à fluência, as ligas do sistema Mg-Al-RE-Ca oferecem ótimo desempenho com resultados similares à liga de alumínio ADC12. Muitos trabalhos sobre o sistema de ligas Mg-Al-RE-Ca foram realizados visando compreender a relação entre microestruturas e propriedades mecânicas. Entretanto, poucos estudos relacionaram a influência das variáveis de solidificação na formação das microestruturas. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo em uma liga Mg-4%Al-3%La-1%Ca analisando a influência das variáveis térmicas tais como taxas de resfriamento, velocidade da isoterma liquidus e gradientes de temperatura, na formação de estruturas, na transição colunarequiaxial e espaçamento dendrítico durante o processo de solidificação. A previsão das distintas estruturas, tais como zona colunar e equiaxial é de grande interesse para avaliação e projeção das propriedades mecânicas dos fundidos. Dessa forma, a liga estudada foi submetida à solidificação unidirecional vertical ascendente e análise térmica. Foram realizadas análises metalográficas nos lingotes solidificados. Os resultados colaboram para uma melhor compreensão do fenômeno de solidificação da liga e serve como ferramenta no desenvolvimento de modelos de previsões de formação de micro e macroestruturas que influenciam diretamente nas propriedades mecânicas.

Due to their superior weight/resistance relation, magnesium and its alloys have been acquiring a great deal of importance in the modern industry, specially as lightweight structural materials in the fields of vehicle construction, aeronautics, industrial robotics, automation, and communication technologies. In particular, the automotive industry has been increasingly expanding the use of magnesium alloys in the production of auto-parts, ranging from gearbox housings to steering wheels. The main reasons for this developments are changes in environmental legislations, new customer requirements, and corporate policies regarding fuel consumption and weight/power relations. The use of magnesium alloys for structural applications at high temperatures is limited due to the precipitation of the discontinuous phase b-Mg17Al12, which in fact, weakens the grain boundary during service resulting in a low creep resistance. Among the magnesium alloys developed for creep resistance, the alloys of the system Al-Mg-RE-Ca offer optimum performance with results similar to the ADC12 aluminum alloy. Many studies on the Al-Mg-RE-Ca system alloys were aimed to understand the relationship between microstructure and mechanical properties. However, few studies undertake the influence of the solidification variables in the microstructure formation. This work aims to study the influence of some thermal variables such as temperature gradients, solidification and growth tip rate on the formation of microstructures, the columnar/equiaxial transition and dendrite arm spacing, during the solidification process of a Mg-4%Al-3%La- 1%Ca alloy. The prediction of the different structures, such as the columnar and the equiaxial regions is of great interest for the assessment and projection of the mechanical properties of the casts. Therefore, the alloy studied in this work were submitted to thermal analysis during an unidirectional vertical ascending solidification, as well as optical and scanning electron microscopy characterization. The results contribute to a better understanding of the solidification phenomena of the magnesium alloys, as well as a tool in the development of numerical models for the prediction of structures which directly influence the mechanical properties of the parts.