Investigation of the microstructure and mechanical properties of the Al-13.8 wt. % Mg 2 Si- Zr cylinder fabricated by the centrifugal casting

Resumo Técnico: Investigação da Microestrutura e Propriedades Mecânicas do Cilindro de Al-13,8 % em peso de Mg₂Si-Zr Fabricado por Fundição Centrífuga

Definição do Problema
Materiais funcionalmente graduados (FGMs) oferecem uma combinação única de propriedades, como alta resistência ao desgaste e tenacidade volumétrica, que são difíceis de alcançar em compósitos de matriz de alumínio homogêneos. Embora a fundição centrífuga seja um método conhecido para criar heterogeneidade funcional em materiais fundidos, os efeitos específicos da adição de Zircônio (Zr) na microestrutura e nas propriedades mecânicas de ligas eutéticas de Al-Mg-Si processadas por este método não foram investigados minuciosamente. Especificamente, há uma necessidade de compreender como o Zr influencia a segregação das partículas primárias de Mg₂Si, a morfologia das fases secundárias e o gradiente mecânico resultante na direção radial de cilindros fundidos centrifugamente.

Metodologia
A pesquisa concentrou-se na fabricação de amostras cilíndricas de uma liga de Al-13,8 % em peso de Mg₂Si utilizando uma máquina de fundição centrífuga vertical. O estudo comparou duas condições:

1. Liga Base: Al-13,8 % em peso de Mg₂Si sem agentes nucleantes.
2. Liga Modificada: A mesma liga base com a adição de 0,1 % em peso de Al-5Zr como agente nucleante.

O processo de fundição envolveu a fusão de alumínio, silício e magnésio de alta pureza em um cadinho de grafite, seguida pela adição do agente Al-5Zr ao lote modificado. O metal fundido foi desgasificado usando tabletes de hexacloroetano e fundido em um molde de aço pré-aquecido (300 °C) girando a 1400 rpm. Os cilindros resultantes (90 mm de diâmetro externo, 15 mm de espessura, 110 mm de comprimento) foram seccionados radialmente em camadas externa, média e interna.

As técnicas de caracterização incluíram:

• Análise Microestrutural: Microscopia óptica (OM) e Microscopia Eletrônica de Varredura de Emissão de Campo (FESEM) com Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDAX) para examinar a distribuição de fases, morfologia e segregação elementar.
• Identificação de Fases: Difração de Raios-X (XRD).
• Testes Mecânicos: Teste de dureza Brinell (carga de 125 kg) e teste de tração (norma JIS Z2201 No. 7) realizados em amostras de cada camada radial.

Principais Resultados
O estudo revelou diferenças distintas entre as ligas com e sem Zr através do gradiente radial:

• Evolução Microestrutural:

  • Sem Zr: A microestrutura exibiu células eutéticas de Al/Mg₂Si colunares. As partículas primárias de Mg₂Si, sendo menos densas que o metal fundido, segregaram-se contra a força centrífuga em direção à camada interna, resultando em partículas poliédricas grosseiras na região interna.
  • Com Zr: A adição de Zr alterou significativamente a microestrutura. A fase intermetálica Al₃Zr formou-se e, devido à sua maior densidade (4,14 g/cm³) em comparação com a liga fundida (2,57 g/cm³), segregou-se para a parede externa do cilindro sob a influência da força centrífuga. A presença de Zr refinou a morfologia do Mg₂Si de dendrítica/laminar para cúbica e reduziu significativamente o tamanho das partículas. Na camada interna, o tamanho médio da partícula de Mg₂Si diminuiu de 43,59 ± 9,83 μm (sem Zr) para 16,23 ± 6,19 μm (com Zr). As células eutéticas também transitaram de colunares para equiaxiais.

• Propriedades Mecânicas:

  • Dureza: A liga contendo Zr demonstrou valores de dureza mais elevados em todas as camadas em comparação com a liga base. O gradiente de dureza diminuiu da camada externa para a interna em ambos os casos, atribuído à diminuição da taxa de solidificação, mas as amostras modificadas com Zr mantiveram dureza superior (ex: 67,27 HB na camada externa vs. 59,1 HB para a liga base).
  • Resistência à Tração: A resistência à tração melhorou em todas as três camadas com a adição de Zr. A camada externa apresentou o aumento mais significativo, subindo de 146,12 MPa para 212,55 MPa. A camada interna também viu um ligeiro aumento (54,56 MPa para 57,39 MPa).
  • Comportamento de Fratura: O modo de fratura mudou de clivagem frágil (nos exemplares sem Zr, causada por partículas de Mg₂Si grosseiras e de bordas afiadas que atuam como concentradores de tensão) para fratura por dimples dúctil (nos exemplares com Zr). As partículas de Mg₂Si mais finas na liga com Zr facilitaram a deflexão de trincas e a coalescência de vazios.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a adição de Zr via liga mestra Al-5Zr é um método eficaz para refinar a microestrutura de ligas de Al-13,8 % em peso de Mg₂Si produzidas por fundição centrífuga. A principal significância reside na capacidade do Zr de:

1. Transformar a morfologia das fases secundárias de Mg₂Si de dendrítica para cúbica e reduzir seu tamanho.
2. Converter células eutéticas colunares em células equiaxiais, particularmente nas camadas média e interna.
3. Melhorar as propriedades mecânicas (dureza e resistência à tração) em todo o gradiente radial, com as melhorias mais pronunciadas observadas na camada externa.
4. Alterar o mecanismo de falha de clivagem frágil para fratura dúctil, aumentando assim a tenacidade do material.

O autor conclui que, embora o processo de fundição centrífuga crie naturalmente um gradiente funcional, a adição estratégica de Zr otimiza esse gradiente ao refinar a microestrutura e mitigar a fragilidade tipicamente associada às fases grosseiras de Mg₂Si primário nas camadas internas.