Análise de fluidez, estrutura e propriedades mecânicas da liga de alumínio Al10Si produzida em moldes de areia congelados

Abstract

O processo de fundição de metais e ligas metálicas é essencial em nossa sociedade. Peças metálicas fundidas estão presentes na indústria de base, agricultura, energia, mineração, saúde, automotivo, aeroespacial etc. A fundição por gravidade em moldes de areia é, entre os processos de fundição, o responsável pela maior quantidade de peças fundidas, correspondendo a aproximadamente 80% do total de ligas ferrosas e não ferrosas produzidas no mundo. Este processo tem características como a utilização dos moldes e machos normalmente na temperatura ambiente, alto consumo de areia, ligantes e aditivos, com custos elevados de aquisição, logística, manuseio, beneficiamento interno, controle ambiental, recuperação, regeneração e disposição de resíduos. A estrutura do material e propriedades mecânicas resultantes na condição bruta de fusão é também resultado da dinâmica da solidificação, também influenciada pelas características termofísicas do molde. Este trabalho buscou determinar as alterações ocorridas na fluidez, molhabilidade, rugosidade, propriedades mecânicas, estrutura e análise térmica de uma liga de alumínio Al10Si quando a temperatura da cavidade do molde de areia é congelada a temperatura de -60ºC, comparando com resultados obtidos na temperatura ambiente. Os moldes para produção dos corpos de prova foram produzidos com areia módulo de finura 80- 90 AFS, 2% de bentonita sódica ativada e 2% de água. Os resultados mostraram propriedades mecânicas mais elevadas para corpos de prova produzidos em moldes congelados com tração variando de 6,8% a 15,9%, escoamento de 5,8% a 8,5% e alongamento de 38,3% a 44%, estrutura mais refinada com espaçamento interdendrítico menor para estruturas produzidas em moldes congelados, variando de 0,6% a 40,%, fluidez com comprimentos similares, rugosidade 62% maior para superfícies produzidas em moldes congelados e molhabilidade na condição super-hidrofóbica na superfície de areia à temperatura ambiente e a -60ºC. Foram também analisadas as propriedades de compressão e tração da areia de moldagem, variando os percentuais de água destilada em 2%, 5% e 7% e bentonita sódica ativada em 2% além da temperatura em ambiente, -9ºC e -60ºC, quando se comprovou o aumento da compressão de 4,6 g/cm² a temperatura ambiente para 8,9 kg/cm² a -60ºC e da tração 0,2 g/cm² a temperatura ambiente para 7,45 kg/cm² a -60ºC, comprovando a viabilidade técnica de processo de fabricação com menor impacto ambiental em função da redução ou eliminação de aditivos, ligantes, e baixa geração de gases no momento do vazamento.

The process of smelting metals and metal alloys is essential in our society. Cast metal parts are present in the base industry, agriculture, energy, mining, healthcare, automotive, aerospace, etc. Gravity casting in sand molds is, among the casting processes, responsible for the largest amount of castings, corresponding to approximately 80% of the total ferrous and non-ferrous alloys produced in the world. This process has characteristics such as the use of molds and cores normally at room temperature, high consumption of sand, binders and additives, with high acquisition, logistics, handling, internal processing, environmental control, recovery, regeneration and waste disposal costs. The material structure and resulting mechanical properties in the raw melt condition are also a result of solidification dynamics, also influenced by the thermophysical characteristics of the mold. This work sought to determine the changes that occurred in the fluidity, wettability, roughness, mechanical properties, structure and thermal analysis of an Al10Si aluminum alloy when the temperature of the sand mold cavity is frozen at a temperature of -60ºC, comparing with results obtained at the environment temperature. The molds for the production of the specimens were produced with sand modulus of fineness 80-90 AFS, 2% of activated sodium bentonite and 2% of water. The results showed higher mechanical properties for specimens produced in frozen molds with tension ranging from 6.8% to 15.9%, yielding from 5.8% to 8.5% and elongation from 38.3% to 44% , more refined structure with smaller interdendritic spacing for structures produced in frozen molds, ranging from 0.6% to 40.%, fluidity with similar lengths, 62% higher roughness for surfaces produced in frozen molds and wettability in the super hydrophobic condition on the surface of sand at room temperature and at -60ºC. The compression and tensile properties of the molding sand were also analyzed, varying the percentages of distilled water in 2%, 5% and 7% and activated sodium bentonite in 2% in addition to the ambient temperature, -9ºC and -60ºC, when it was verified the increase in compression from 4.6 g/cm² at room temperature to 8.9 kg/cm² at -60ºC and in traction 0.2 g/cm² at room temperature to 7.45 kg /cm² at -60ºC, proving the technical feasibility of a manufacturing process with less environmental impact due to the reduction or elimination of additives, binders, and low generation of gases at the time of pouring.