Orientadores: Amauri Garcia, Ivaldo Leão Ferreira

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: As ligas fundidas de alumínio vêm desempenhando um papel importante no crescimento da indústria metal-mecânica. Hoje, essas ligas são produzidas em vários sistemas e dezenas de composições. Destacamos as ligas do sistema ternário Al-Cu-Si que apresentam excelente fluidez, alta resistência...

Resumo: As ligas fundidas de alumínio vêm desempenhando um papel importante no crescimento da indústria metal-mecânica. Hoje, essas ligas são produzidas em vários sistemas e dezenas de composições. Destacamos as ligas do sistema ternário Al-Cu-Si que apresentam excelente fluidez, alta resistência mecânica e baixo peso, o que as tornam uma escolha adequada como ligas de fundição, sendo amplamente aplicadas na indústria automotiva e aeroespacial. Tais características e o elevado grau de destaque dessas ligas no campo científico e tecnológico têm despertado o interesse de pesquisadores para o desenvolvimento de trabalhos que visam a investigação da evolução microestrutural, formação de macrossegregação e porosidade na solidificação. Neste trabalho, a caracterização e quantificação microestrutural e suas correlações com os parâmetros térmicos da solidificação de ligas Al-Cu-Si são investigadas juntamente com a macros segregação e formação de porosidade tanto através de simulações numéricas quanto através de experimentos de solidificação direcional em regime transitório. A microestrutura dendrítica foi caracterizada por técnicas tradicionais de metalografia para as ligas Al6Cu1Si e Al6Cu4Si e a quantificação dos espaçamentos dendríticos realizada por metodologias consagradas na literatura. Os resultados mostram que a adição de silício na composição da liga diminui os espaçamentos dendríticos primários e secundários quando comparados com a liga binária Al-Cu de mesmo teor de cobre. São propostas leis experimentais de evolução dos espaçamentos dendríticos como função da taxa de resfriamento ( ? ) e da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), na forma 'lambda IND. 1' = C ( ? )-0,55, 'lambda IND. 2' = C ( ? )-0,33 'lambda IND. 3' = C ( ? )-0,55 para os espaçamentos primários, secundários e terciários respectivamente. Os valores experimentais dos espaçamentos dendríticos secundários foram comparados com o único modelo teórico de crescimento dendrítico existente na literatura para ligas multicomponentes. O diagrama de fases ternário, bem como os caminhos de solidificação de ambas as ligas analisadas, e propriedades termofísicas necessárias para simulações numéricas foram determinadas através do software Thermo-Calc. Os perfis experimentais e numéricos de macrossegregação, bem como as densidades teóricas e aparentes são apresentados em função do comprimento dos lingotes. Os perfis de soluto durante a solidificação unidirecional transitória das ligas foram calculados levando-se em conta transformações de fase secundárias que ocorrem ao longo do referido sentido de solidificação. A microporosidade foi obtida experimentalmente através de um procedimento picnométrico. Também é mostrado que o uso de uma chapa molde de aço carbono induz um aumento atípico na fração de poros próximos à superfície resfriada do lingote, o que é causado por uma maior concentração de ferro provocada pelo fluxo difusivo deste elemento da chapa molde para a superfície do lingote

Abstract: Aluminum alloys castings had a fundamental role in the growth of the metal-mechanics industry. Nowadays these alloys are supplied in a wide range of chemical compositions. We highlight the Al-Cu-Si ternary system because of particular outstanding properties such as high mechanical...

Abstract: Aluminum alloys castings had a fundamental role in the growth of the metal-mechanics industry. Nowadays these alloys are supplied in a wide range of chemical compositions. We highlight the Al-Cu-Si ternary system because of particular outstanding properties such as high mechanical strength, low weight and very good fluidity. These qualities make them a good choice for applications in the automotive and aerospace industry. The potential of such alloys has attracted much attention of researchers with a view to investigating the microstructure evolution, and the formation of macrosegregation and porosity during the solidification process. In the present work, the microstructures of Al-Cu-Si alloys are characterized and correlated with solidification thermal parameters. The evolutions of macrosegreation and porosity during transient solidification are also examined both experimentally and by numerical simulations. The dendritic microstructure has been characterized using current metallographic techniques for both Al6Cu1Si e Al6Cu4Si alloys and the interdendritic spacings were measured by methods found in the literature. The results have shown that the addition of silicon to the alloy composition decreases the primary and secondary dendritic spacing when compared with those of an Al6Cu alloy. Experimental laws describing the evolution of dendritic spacings with the cooling rate ( ? ) and the velocity of the liquidus isotherm (VL) are proposed, i.e., 'lambda IND. 1' = C ( ? )-0,55, 'lambda IND. 2' = C ( ? )-0,33 and 'lambda IND. 3' for the primary, secondary and tertiary dendritic spacings, respectively. The experimental results of secondary dendritic spacings have been compared with the predictions of the only theoretical model existing in the literature for dendritic growth of multicomponent alloys. The Thermo-Calc software has been used to yield the tertiary phase diagram, thermophysical properties and the solidification path for both alloys. The experimental and numerical macrosegregations profiles, as well as the theoretical and apparent densities are presented as a function of the castings lenghts. The solute profiles that occur during the transient unidirectional solidification were simulated taking into account the formation of secondary phases during solidification. The microporosity was determined using a pyknometry procedure. The work also shows that the use of a carbon steel chill plate induces an abnormal increase in porous fraction at regions close to the casting cooled surface caused by a higher iron content, due to diffusive flux of iron from the chill steel plate toward the casting surface