DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO DE TERMO ANÁLISE
PARA MEDIR O GRAU DE MODIFICAÇÃO DE LIGAS DE ALUMÍNIO
EUTÉTICAS FUNDIDAS
Prof. Dr. Mário Wolfart Junior1
Prof. Dr. Diego Rodolfo Simões de Lima1
Prof. Me. Tomaz Fantin de Souza1
Tarcila Pedrozo Benemann1
Vinicius Peccin Beppler1
RESUMO
As ligas de alumínio são cada vez mais utilizadas na indústria mundial bem como na indústria
nacional, tendo em vista que trata-se de um material com boas propriedades mecânicas e
aplicabilidade em diversos processos da indústria automobilística e aeroespacial, entre outras.
Um dos processos de melhoria das ligas de Al-Si eutético para determinadas aplicações, é a
modificação microestrutural da liga por meio de um agente modificador, neste caso o
estrôncio (Sr). O principal objetivo deste projeto de pesquisa é desenvolver um equipamento o
qual efetuará uma termo-análise, capaz de mostrar o grau de modificação de ligas de
alumínio-silício. A tecnologia que é utilizada para medir o grau de modificação não existe no
Brasil, somente existe em países desenvolvidos na Europa e EUA. A utilização deste
equipamento possibilitará a redução do tempo de produção na fundição e uma economia de
energia de até 12,5% e proporcionará uma produção de ligas de alumínio com níveis de
qualidade superior às ligas de alumínio atuais. O projeto se resumiu na construção de um
equipamento com a utilização de um controlador de temperatura, um termopar, um
computador e um sistema supervisório, o qual é responsável por salvar os dados de tempo
temperatura em uma planilha eletrônica. Através da utilização da composição química da liga
de alumínio-silício original e do percentual do elemento químico estrôncio (Sr) adicionado no
alumínio fundido, é possível através do termo-analisador medir o grau de modificação da liga,
ou seja, determinar o quanto a microestrutura da liga foi modificada em função da quantidade
de estrôncio adicionado. Os ensaios realizados com 50 ppm de estrôncio (Sr) apresentaram
uma temperatura eutética média de 559,5°C contra 558,62°C da temperatura calculada, o que
nos apresenta um grau de modificação médio de 4,1. Os resultados apresentados mostram que
o equipamento é capaz de medir o grau de modificação, e que os resultados obtidos são
similares aos encontrados na literatura.
Palavras chave: alumínio, termo-analisador, modificação, estrôncio, eutético.
1Filiação Institucional: Instituto Federal Catarinense – Câmpus Luzerna
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1 INTRODUÇÃO
O alumínio é um dos materiais mais econômicos e atrativos para uma vasta gama de
aplicações nas indústrias automobilística, aeronáutica, naval, médica, entre outras. Suas
principais características de fundição são:- baixa viscosidade, o que facilita o preenchimento
de seções finas; baixa temperatura de fusão, possibilitando o emprego de moldes metálicos;
elevado coeficiente de transferência de calor, possibilitando a realização de ciclos de fundição
curtos.
O silício é considerado um dos principais candidatos a elemento de liga para
fundição de alumínio por aumentar a fluidez da liga, reduzir a temperatura de fusão e diminuir
a contração durante a solidificação, além de apresentar baixa densidade, o que é uma grande
vantagem na redução do peso total do componente fundido. As ligas de alumínio-silício
apesar de apresentarem vantagens como, por exemplo, uma elevada resistência à corrosão, são
muito frágeis devido a sua microestrutura grosseira em função da presença do Si. Um
tratamento conhecido por "modificação" melhora as características desta microestrutura,
conferindo uma melhor resistência mecânica e uma boa ductilidade.
A modificação pode ser explicada conforme duas teorias: teoria da restrição à
nucleação e teoria do crescimento restrito. A primeira afirma que o elemento químico
modificador neutraliza os núcleos heterogêneos do Fe (ferro) e da liga AIP (fosfeto de
alumínio), através de um super-resfriamento, ocasionado pela redução do coeficiente de
difusão de Si. A segunda, explica o processo de modificação devido à presença de átomos de
impurezas na fundição o que promove a restrição do crescimento de silício.
A modificação com Sr, melhora as propriedades da liga como, por exemplo, a
resistência mecânica, além de possuir um custo médio, fácil estocagem, menor reatividade
com refratários, não produção de gases (fumo) e um bom desvanecimento, tendo como
desvantagem o fato de favorecer a solubilidade do hidrogênio e a formação de porosidades.
A liga A269 foi utilizada neste projeto, por ser utilizada em blocos de motores de
automóveis e motocicletas, pistões e bielas, dentre outros equipamentos. Esta é uma liga
eutética, com aproximadamente 11,9% de silício (Si), o suficiente para ser considerada
eutética. A microestrutura desta liga apresenta o silício em forma de lâminas ou plaquetas
aciculares, que é uma das características originais da liga pura. A morfologia do silício pode
então prejudicar as propriedades mecânicas / metalúrgicas dos componentes com ela
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fabricados. Sendo assim, é de grande importância a mudança da morfologia desta
microestrutura almejando assim uma melhora nas propriedades.
O objetivo do desenvolvimento do termoanalisador, é efetuar a análise da
modificação causada pelo estrôncio na liga, uma vez que ele baixa a temperatura eutética,
obtida durante a solidificação do material. A temperatura eutética teórica da liga A269 não
modificada é de aproximadamente 563,7°C, com a adição do estrôncio (Sr), esta temperatura
tende a diminuir. Na microestrutura, a influência do estrôncio (Sr) também é visível, uma vez
que a estrutura em forma de plaquetas aciculares original da liga transforma-se em uma
estrutura globular, em forma de ilhas. A modificação é realizada por meio da adição de Sr
metálico ou na forma da ante liga Al – Sr, normalmente da ordem de 0,005% até 0,02% de Sr
em peso. Este agente modificador inibe a nucleação de grãos eutéticos o que resulta em uma
diminuição da nucleação da fase eutética do silício o que coincide com a teoria da restrição a
nucleação.
A termo-análise é uma das técnicas utilizadas para avaliar a qualidade do material
fundido. Por este método, valores importantes são extraídos a partir de uma curva de
resfriamento, para posteriormente serem relacionados com as características e índices de
qualidade da liga como, por exemplo, o tamanho do grão, a morfologia do silício e a
microestrutura eutética [2]. Nas indústrias de fundição de metal é importantíssimo o controle
sobre os parâmetros de produção, de modo que a termo análise auxiliada por computador é
largamente utilizada para a avaliação de parâmetros de processos e materiais.
Uma das mais importantes qualidades que podem ser observadas com a técnica da
termo análise é a temperatura eutética da liga, que consiste basicamente em uma temperatura
que permanece constante durante a solidificação do material e é a mais baixa possível levando
em consideração o ponto de fusão de cada material da liga separadamente. Dessa forma todos
os seus constituintes se solidificam simultaneamente a partir do líquido [7].
Vários estudos apontam que existe uma relação entre a queda da temperatura
eutética com a modificação das ligas, de forma que se adicionarmos um agente modificante
como, por exemplo, Sr (estrôncio) a temperatura eutética sofrerá uma queda proporcional a
porcentagem de Sr adicionado, ou seja, quanto maior a quantidade de Sr adicionado, maior
será a queda de temperatura. Na literatura é possível encontrar diversas equações que podem
ser utilizadas para o cálculo desta temperatura para uma liga Al-Si.
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um equipamento capaz de
realizar a termo-análise direcionada ao estudo do grau de modificação do Alumínio -Silício.
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2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1 Adaptação do forno e verificação da temperatura do forno
O IFC – Câmpus Luzerna possui quatro fornos convencionais (figura 1a) para
tratamento térmico.O forno selecionado para adaptação sofreu algumas modificações, tais
como, retirada da porta frontal para facilitar a utilização como forno poço, para que o
processo se tornasse mais ágil, e sem obstáculos nos momentos mais críticos, como a retirada
do cadinho com alumínio fundido do forno. Outra adaptação foi a inversão da posição original
(figura 1b), uma vez que possuía porta voltada para frente. A figura 1a e 1b mostra o forno
convencional e forno poço respectivamente.
Figura 1: a) forno convencional b) forno poço.
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Devido às modificações no forno, foi necessário o acompanhamento das
temperaturas relativas ao forno e ao metal líquido, pois o termopar de controle de temperatura
do forno situava-se no fundo forno, gerando assim uma grande diferença entre a temperatura
ajustada no forno e a temperatura da liga fundida.
A tabela 1 mostra as diferenças de temperatura encontradas nas diversas temperaturas
escolhidas em função da temperatura de adição do estrôncio que é de 750°C.
Tabela 1: Diferença entre a temperatura do forno e da liga
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1
2
3
Temperatura setada no forno (°C)
840
850
860
Temperatura do metal líquido (°C)
735
750
770
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Como a temperatura de trabalho necessária para adicionar estrôncio é de 750 °C, o
forno foi configurado para atingir o patamar de 850 °C, conforme a tabela 1.
2.2 Construção do equipamento de termo-análise
A etapa de aquisição e tratamentos dos dados do equipamento foi desenvolvido e
montado conforme descrição abaixo:
- O termopar tipo K (que fica imerso no metal líquido) conectado a um controlador
de temperatura, que atua como uma placa de aquisição de dados, ou seja, transforma os sinais
analógicos em sinais digitais. Estes dados são então enviados para o computador via protocolo
de comunicação modbus em uma rede RS485. Através de um sistema supervisório Elipse
Scada (versão DEMO), os dados então são lidos e exibidos em uma tela em forma de gráfico
tempo x temperatura, sendo posteriormente salvos em uma planilha eletrônica.
Através dos gráficos gerados foi possível observar a curva de resfriamento da liga até
sua completa solidificação.
2.4 Cálculo da Temperatura Eutética
A equação utilizada para calcular a temperatura de fusão do Al-Si foi desenvolvida
por Modolfo e Gruzleski [1] com base em dados obtidos através da literatura e dos
experimentos dos autores.
3,4 Cu+1,34 Fe+6,3 Mg+1218,9 Sr – 32965 Sr 2 – 4,293 Sb+ 186,3 Sb2 – 495,5 Sb2
2
T Al
Si =660.452 – (6,11 Si+0,057 Si )(12,6/Si) – ¿
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(1)
A equação é baseada na composição química da liga, apresentada na tabela 2, sendo
uma análise realizada na Sulina de Metais (SUMESA) e outra no IFC – Câmpus Luzerna, e
foi inserida em uma planilha eletrônica para facilitar os cálculos, já que as variáveis só
precisavam ser substituídas, e para confrontar a teoria com a prática foram feitos ensaios com
a liga não modificada.
Tabela 2: Composição química da liga de alumínio 269 não modificada.
Composição da liga
A269 (%)
Elementos
Si
Cu
Fe
Mg
Sr
Sb
SUMESA
11,92
1,24
0,355
0,99
0,0001
0,025
IFC
11,93
1,28
0,381
0,89
<0,0001
<0,002
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
2.5 Temperatura teórica x temperatura eutética da liga
A comparação entre a temperatura eutética teórica e a temperatura eutética prática foi
necessária tendo em vista que a equação escolhida considera os elementos químicos da liga de
alumínio não modificada e que esta forneça na prática uma temperatura bem próxima da
temperatura eutética real (prática).
Para efetuar a verificação foi utilizado um cadinho de grafite para fundir a liga na
temperatura de 750 °C (definida no item 2.2) e então vazado em um cadinho de aço
inoxidável e então um termopar tipo k foi inserido no metal ainda líquido. A curva de
resfriamento da liga foi então monitorada. Para este ensaio foram realizados três testes e os
dados de resfriamento (tempo e temperatura) coletados.
2.6 Termo-Análise
A termo-análise é uma etapa fundamental do projeto, pois devem ser tomados
cuidados especiais desde o momento da alimentação do forno, até a coleta de temperatura.
Os ensaios foram realizados utilizando em média 300 g de alumínio que era colocado
em um cadinho de grafite juntamente com a quantidade de 50 ppm de Sr para fundir.
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O metal fundido era vazado em um cadinho de aço inoxidável, onde o termopar tipo
K conectado ao controlador era inserido no metal líquido, em seguida o controlador enviava
os dados de temperatura de resfriamento para o computador onde o supervisório plotava uma
curva tempo-temperatura para visualização e as informações em seguida eram salvas em uma
planilha eletrônica (Excel).
Estes dados posteriormente eram utilizados para plotar um gráfico em uma nova
planilha eletrônica, onde eram inseridos também os dados da temperatura eutética da liga pura
e o cálculo do grau de modificação que consiste basicamente na diferença entre a temperatura
eutética da liga pura e a temperatura eutética da liga modificada.
2.7 Metalografia x Grau de modificação
A análise microestrutural do material nos permitiu verificar se a microestrutura em
forma de plaquetas aciculares foram modificadas por uma microestrutura em forma globular
em ilhas e então compará-las com o grau de modificação calculado. As amostras foram
preparadas conforme procedimentos padrão de preparação metalográfica e em seguida foram
analisadas em um microscópio metalúrgico. A seleção da região analisada sempre foi a
mesma para todos as amostras.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Cálculo da Temperatura eutética.
Como foi visto, a temperatura eutética do alumínio pode ser calculada através de
uma equação (1), que engloba os percentuais de determinados elementos de liga presentes no
material e a temperatura de fusão do alumínio puro 660,452 °C. Com esses valores é possível
calcular a temperatura que permanece constante por um tempo maior durante o seu
resfriamento, sendo esta denominada temperatura eutética [1].
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Com base no que foi apresentado na tabela 2 (análise feita pela empresa SUMESA),
a equação (1), apresentou como resultado a temperatura de 563,7°C.
Os ensaios realizados confirmaram a validade da equação (1), uma vez que sem a
adição de nenhum elemento modificador, o resultado do ensaio foi muito próximo da
temperatura calculada de 563.7°C, como podemos observar no gráfico da figura 2. Nesta pode
ser observado que a temperatura eutética coletada foi de 563,9°C para a liga sem estrôncio.
Para a liga com adição de 50 ppm de estrôncio o valor encontrada através da equação (1) foi
de 558,62 °C, similar aos valores observados nas figuras 4, 5 e 6. Desta forma, podemos
considerar que a equação (1), pode ser utilizada para qualquer outra liga de Al-Si-Cu eutética
[1], levando em consideração que o resultado é similar aos obtidos nos ensaios para obtenção
da temperatura eutética sem e com adição de estrôncio.
3.2 Curvas de resfriamento e Termo-análise .
As figuras 3 a 6 mostram as curvas de resfriamento para a liga A269 sem
modificação e com modificação com 50 ppm, onde podemos observar na região demarcada
pela elipse, o ponto então que a curva se mantém constante em uma determinada temperatura,
ou seja, a primeira depressão da curva, esta temperatura é considerada a temperatura eutética
da liga.
De posse dos gráficos referentes aos ensaios realizados, podemos observar na figura
3 a curva de resfriamento da liga sem modificação e discutida no item anterior. Na figura 4
podemos observar a curva de resfriamento para o ensaio 1 com a adição e 50 ppm, onde na
região demarcada com elípse é onde temos o primeiro patamar com temperatura constande,
indicando assim a temperatura eutética de 559,9°C. Na figura 5 podemos observar a curva de
resfriamento para o ensaio 2, também com a adição de 50ppm, onde na região demarcada com
elipse é onde temos o primeiro patamar com temperatura constante, indicando assim a
temperatura eutética de 558,9°C. Na figura 6 podemos observar a curva de resfriamento para
o ensaio 3, também com a adição de 50ppm, onde na região demarcada com elipse é onde
temos o primeiro patamar com temperatura constante, indicando assim a temperatura eutética
de 559,9°C
As figura 4 a 6 mostram um depressão para as 3 curvas de 3,8°C , 4,8°C e 3,8°C
(modificadas com 50 ppm) em relação a temperatura calculada, conforme comentado na
literatura [3] [4]. Esta depressão nada mais é que ∆T, que é chamado de grau de modificação.
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A figura 6 mostra as curvas da liga não modificada com a liga modificada do ensaio 1,
mostrando o ∆T das ligas.
Segundo Furlan [5], o grau de modificação para estes patamares de adição de 50 ppm
de estrôncio deve ficar entre 3 e 6. Levando-se em conta que o nosso sistema de medição
possui muitos ruídos, o que pode prejudicar ou tornar as medições imprecisas, os resultados
obtidos com este trabalho são satisfatórios.
Com estes valores de grau de modificação podemos afirmar que o equipamento de
termo-analise pode ser utilizado para medir o grau de modificação de ligas de alumíniosilício.
Figura 2: Curvas sobrepostas da amostra não modificada e da amostra modificada
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 3: Gráfico da temperatura da liga não modificada
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Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 4: Gráfico da temperatura da liga modificada – Ensaio 01
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 5: Gráfico da temperatura da liga modificada – Ensaio 02
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Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 6: Gráfico da temperatura da liga modificada – Ensaio 03
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
3.3 Metalografia x grau de modificação
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As figuras 7 a 9 mostram as micrografias referentes a liga de Alumínio-silício A269
sem modificação e das 3 amostras modificadas com 50ppm de estrôncio, respectivamente.
Figura 7 – Microestrutura da liga sem adição de estrôncio.
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 8 – Microestrutura da liga com adição de 50ppm de Sr ensaio 1.
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 9 – Microestrutura da liga com adição de 50ppm de Sr ensaio 2.
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Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Figura 10 – Microestrutura da liga com adição de 50ppm de Sr ensaio 3.
Fonte: Elaborado pelos autores com dados experimentais
Na figura 7 pode ser observada a microestrutura da amostra a qual não foi
modifica com estrôncio, a qual apresenta uma matriz de alumínio com silício eutético em
forma de plaquetas aciculares. Já na figura 8 pode ser observada uma microestrutura
composta de alumínio na matriz juntamente com ilhas de silício eutético na forma fibrosa e
uma pequena parte em forma acicular, o que nos mostra uma modificação parcial desta
amostra.
Nas figura 9 e 10 podem ser observadas microestruturas composta de alumínio na
matriz juntamente com ilhas de silício eutético na forma fibrosa e uma grande parte na forma
acicular, o que nos mostra também uma modificação parcial desta amostra.
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De qualquer forma, se fizermos uma comparação das micrografias das amostras
modificadas com 50 ppm de estrôncio com a amostra não modificada, pode ser verificado
uma diferença na forma do silício eutético, onde este demonstra uma tendência a tornar-se
completamente fibrosa. Estas micrografias nos permitem afirmar que a adição de 50 ppm
ainda não foi suficiente para modificar completamente as amostra.
Ao comparar o grau de modificação medido através das curvas das figuras 4 a 6 com
as microestruturas das figuras 8 a 10 pode-se afirmar que para os parâmetros de processo
juntamente com a quantidade de 50 ppm de Sr não foram o suficiente para modificar
completamente a microestrutura da liga, bem como o valor médio de 4,1 do grau de
modificação ainda não representa uma modificação completa da microestrutura do silicio
eutético acicular para fibrosa.
CONCLUSÃO

A equação (1) permite prever a temperatura eutética para ligas Al-Si-Cu sem

e com adição de Sr.
A adição de 50 ppm de Sr modificou parcialmente a liga A269 transformando
a estrutura em plaquetas aciculares em ilhas de silício eutético parcialmente

fibroso.
O equipamento de termo análise se mostrou eficiente para medir o grau de

modificação após a modificação com Sr.
O grau de modificação com 50 ppm chegou a 4,2 e representa a modificação
parcial da liga A269
AGRADECIMENTOS
À PROEX/PROPI pela concessão de bolsas de pesquisa e extensão, ao Instituto Federal
Catarinense Câmpus Luzerna pela estrutura e à empresa SUMESA pelo apoio prestado
através da doação das ligas de alumínio e conhecimentos técnicos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
III SECITEC: Ciência, Tecnologia e Desenvolvimento Sustentável – 2, 3 e 4 de setembro de 2014
[1] Djurdjevic B. Mile, ET AL.; ‘Thermal Description of Hypoeutetic Al-Si-Cu Alloys Using
Silicon Equivalency’, Vojnotehcicki Glasnik / Military Technical Courier, 2012, vol. LX,
pag. 158.
[2 ] Malekan, M., Dayani, D., e Mir, A.; “Thermal Analysis Study on the simultaneous grain
refinement and modification of 380.3 aluminum alloy”, Therm Anal Calorim, 2014, vol.
15.
[3] Zhang, Y. ET al.; “Cluster-assisted nucleation of silicon phase in hypoeutetic Al-Si alloy
with further inoculation”, Acta Materialia, 2014, vol. 70.
[4 ] Shabestari, S. G. e Ghodrat, S.; “Assessment of modification and formation of
intermetallic compounds in aluminum alloy using thermal analysis”, Materials Science and
Engineering A, 2007, vol. 467.
[5 ] Furlan, Tarita Shiraishi, Influência do teor de estrôncio na modificação da liga A356 / São
Paulo, 2008. Dissertação – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
[6 ] Prabhu, N.K.; Hegde, S. Modification of eutetic silicon in Al-Si Alloys, Departament of
Metallurgical & Materials Engineering, Surathkal, India 2008.
[ 7] ALVES, Líria. Mistura eutética. , 2013. Disponível em:
<http://www.brasilescola.com/quimica/mistura-eutetica.htm>. Acesso em: 25 ago. 2014.
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