Fabrico e caracterização de componentes cerâmicos para a fundição de ligas de alumínio

Abstract

Com o objectivo de desenvolver componentes cerâmicos com um bom desempenho em aplicações na indústria da fundição de ligas de alumínio, estudaram-se formulações cerâmicas à base de aluminosilicatos, dopando-as com diferentes aditivos óxidos de elementos alcalino-terrosos e composições cerâmicas à base de não óxidos, nomeadamente nitreto de silício, Si3N4, ou nitreto de alumínio, AlN, mais dispendiosas mas de reconhecida inércia química face ao alumínio líquido. No Capítulo 1 faz-se uma revisão bibliográfica relativamente ao estado da arte dos aspectos que se pretendem estudar ao longo da Tese. Os Capítulos 2 e 3 tratam, separadamente, do processamento de aluminosilicatos e da sua reactividade com as ligas de alumínio. O interesse pelo estudo destes cerâmicos justifica-se por o seu uso na indústria da fundição poder constituir uma solução económica e interessante, desde que a sua reactividade face ao alumínio seja minimizada. Essa reactividade é inerente à presença da SiO2, estando também frequentemente relacionada com as características microestruturais destes cerâmicos. Assim, no Capítulo 2, investigaram-se os efeitos da dopagem de composições cerâmicas à base de Al2O3-SiO2 com MgO, CaO e BaO na cristalinidade e na microestrutura (teor de porosidade aberta, distribuição de tamanhos de poros) dos cerâmicos resultantes, assim como o modo como estas características determinaram as suas propriedades mecânicas, nomeadamente, o módulo de Young, E, e a resistência à flexão, ? f, e térmicas, como o coeficiente de expansão térmica (CET), ? , e a resistência à fadiga térmica, avaliando a influência do número de ciclos à temperatura de 800ºC na resistência à flexão dos cerâmicos. Dada a grande relevância das reacções interfaciais entre os aluminosilicatos e as ligas de alumínio, e a diversidade de composições estudadas, decidiu-se dedicar-lhes um Capítulo da Tese. Assim, o estudo sobre a influência do tipo de aditivo dopante na reactividade química destes cerâmicos face ao alumínio puro e à liga de fundição AlSi7Mg é apresentado no Capítulo 3, onde se faz uma análise exaustiva das interfaces cerâmico/metal líquido, obtidas a diferentes temperaturas do intervalo 750ºC-1100ºC e diferentes tempos de contacto até 24 h, sob vácuo parcial (< 10-2 Pa), após arrefecimento natural ou têmpera, recorrendo a técnicas de microscopia electrónica. Desta forma foi possível discutir o efeito do elemento de liga Si na molhabilidade dos cerâmicos pelo alumínio e propor um mecanismo capaz de explicar a formação de zonas-de-reacção, tipo de produtos de reacção, e a sua influência na cinética da reacção. A menor relevância das reacções interfaciais envolvendo cerâmicos à base de não óxidos, nomeadamente, à base de Si3N4 ou AlN, e as ligas de alumínio, por um lado, e a grande importância de que se revestem os aspectos relacionados com o processamento destes materiais em meio aquoso, por outro, levaram à decisão de englobar em cada um dos capítulos dedicados ao estudo dos nitretos, nomeadamente o Si3N4, Capítulo 4, e o AlN, Capítulo 5, os estudos relacionados com o processamento dos cerâmicos, e com a sua reactividade face às mesmas ligas de alumínio testadas com os cerâmicos à base de óxidos. Assim, o Capítulo 4 compreende o processamento dos cerâmicos à base de Si3N4 e a sua reactividade face ao alumínio puro e à liga AlSi7Mg, dando-se especial destaque à modificação das propriedades químicas da superfície dos pós através da sua dispersão em diferentes meios e/ou de tratamentos de oxidação, e à desaglomeração dos pós com vista a melhorar a sua dispersabilidade e o processamento por via coloidal em meio aquoso das composições cerâmicas. A influência das condições de pré-tratamento dos pós e da sua dispersão no grau de compactação dos corpos em verde, assim como na sinterabilidade, na densificação e nas propriedades mecânicas dos corpos sinterizados, constituíram os aspectos centrais deste Capítulo. Os efeitos dos tratamentos de oxidação em superfícies polidas de corpos sinterizados na reactividade destes cerâmicos face ao alumínio puro e à liga AlSi7Mg foram também avaliados, por observação das interfaces obtidas a diferentes temperaturas do intervalo 900-1100ºC, durante 4 ou 24 h, após arrefecimento natural no forno . O Capítulo 5 incide particularmente nos estudos de tratamento do AlN por adsorção de espécies pouco solúveis e de agentes superficialmente activos de modo a passivar a superfície das partículas relativamente à hidrólise, com vista a viabilizar o processamento coloidal de materiais à base de AlN em meio aquoso. Com o intuito de reduzir a temperatura de sinterização destes materiais, normalmente superior a 1900ºC, fizeram-se ainda estudos de dopagem do AlN com fluoreto de cálcio, CaF2, tendo-se conseguido baixar a temperatura de sinterização em cerca de 150ºC. A reactividade dos corpos à base de AlN assim obtidos, face à liga mais reactiva de AlSi7Mg foi testada a 1100ºC durante 4 e 24 h, e avaliada por observação das interfaces, após arrefecimento naturalno forno. É importante realçar que todos os cerâmicos testados face às ligas de alumínio foram processados por via coloidal em meio aquoso, nomeadamente, por enchimento por barbotina, inclusivé no caso dos não-óxidos, com particular destaque para o AlN, altamente reactivo em presença de água, mesmo na forma de humidade atmosférica. A optimização dos métodos de tratamentos da superfície dos pós e das etapas de processamento dos cerâmicos foi seguida por análises exaustivas de adsorção avaliada por técnicas complementares de UV, FT-IR, RMN e electroforese e de dispersão através de medidas de electroforese, reologia, e distribuição granulométrica das partículas. Os estudos realizados permitiram compreender o papel dos factores mais relevantes do processo e controlar as suas várias etapas de modo a obter corpos homogéneos com geometria complexa, viabilizando assim o fabrico de componentes diversos para a indústria de fundição, bem como para várias outras indústrias utilizadoras de materiais cerâmicos. No caso particular dos não-óxidos e, especialmente do AlN, o processamento coloidal em meio aquoso representa um passo de gigante! O conhecimento desenvolvido terá impactos muito positivos a vários níveis: condições de trabalho mais saudáveis e menores riscos de explosão e de incêndios do que no caso do uso de meios dipersores orgânicos; processos de fabrico mais limpos e amigos do ambiente; redução dos custos de produção, tornando os produtos à base de AlN mais baratos, competitivos e de uso mais generalizado.

In order to promote the development of ceramic components for the aluminium foundry industry, aluminosilicate-based ceramic compositions, doped with different oxide additives of alkalineearth elements, were studied as well as non-oxide ceramics, namely silicon nitride, Si3N4, or aluminium nitride, AlN, which are more expensive but present a well-known chemical inertia to liquid aluminium. In Chapter 1, a review of the state-of -the-art of the subjects focused along this thesis is performed. Chapters 2 and 3 separately treat the processing of aluminosilicate ceramics and their reactivity with different aluminium alloys, respectively. The study of these ceramics is justified by the fact that their use may represent an economic and interesting solution, if their reactivity to liquid aluminium is minimised. This reactivity is inherent to the presence of SiO2, and often related to the microstructural characteristics of these ceramics. Thus, in Chapter 2, the effects of doping the Al2O3-SiO2 ceramic compositions with MgO, CaO and BaO on the cristalinity and microstructure (pore volume fraction, pore size distribution) of the resultant ceramics are investigated, as well as in which way these characteristics determine their mechanical properties, namely the Young’s modulus, E, and the bending strength, ? f, and thermal properties, such as the coefficient of thermal expansion (CTE), ? , and the resistance to thermal fatigue, evaluating the influence of the number of cycles at 800ºC on the ceramics’ bending strength. Taking in to account the great relevance of the interfacial reactions between the aluminosilicates and the aluminium alloys, and the variety of the compositions under study, an entire Chapter of this thesis was dedicated to them. Thus, the study about the influence of the type of doping additive on the chemical reactivity of these ceramics in contact with pure aluminium and with the AlSi7Mg foundry alloy is presented in Chapter 3, analysing the ceramic/liquid metal interfaces, obtained at different temperatures in the range of 750ºC-1100ºC and different holding times till 24 h, under partial vacuum, after natural cooling or quenching, using electronic microscopy techniques. Thus, it was possible to discuss the effect of Si, when present as an alloying element, on the wettability of the ceramics by the liquid aluminium and to propose a mechanism to explain the formation of the reaction-zones, as well as the type of reaction products formed and their influence on the reaction kinetics. The minor relevance of the interfacial reactions involving non-oxide ceramics, namely Si3N4-based and AlN-based ceramics, and the aluminium alloys, and the great importance of the aspects related with the processing of these materials in aqueous media, led to the decision of joining in each Chapter dedicated to the nitride ceramics, Si3N4-based, Chapter 4, or AlNbased, Chapter 5, the studies related with the ceramics’ processing and with their reactivity with the general aluminium foundry alloys. Thus, Chapter 4 comprises the processing of Si3N4-based ceramics and their reactivity with respect to pure aluminium and the AlSi7Mg alloy, giving special attention to the modification of the chemical properties of the powders’ surface, through their dispersion in different media and/or oxidation treatments, and to the deagglomeration of the powders, in order to improve their dispersing ability and colloidal processing of the ceramic compositions in aqueous media. The influence of the pretreatment conditions of the powders and of their dispersion in the compaction level of the green bodies, sinterability, densification and mechanical properties of the sintered bodies were the key issues of this Chapter. The effects of the oxidation of the polished surfaces of the sintered bodies on the reactivity of these ceramics in contact with pure aluminium and with the AlSi7Mg alloy were also evaluated by observation of the interfaces obtained at different temperatures in the range 900-1100ºC, after 4 h or 24 h and natural cooling. Chapter 5 focus particularly the studies of the AlN powders treatment by adsorption of low-soluble species and surface-active agents to passivate the surface of the particles relatively to hydrolysis, in order to promote the colloidal processing of AlNbased materials in aqueous media. In order to reduce the sintering temperature of these materials, which is normally higher than 1900ºC, studies on doping of AlN with calcium fluoride, CaF2, were followed, and the sintering temperature was successfully decreased in about 150ºC. The reactivity of the AlN ceramics thus obtained in contact with the more reactive AlSi7Mg alloy was tested at 1100ºC for 4 h and 24 h, and the interfaces were analysed after natural cooling. It is important to note that all the ceramics tested in contact with the aluminium alloys were obtained by colloidal processing in aqueous media, namely by slip casting, even in the case of nonoxide powders, with special emphasis to the AlN ceramics, which is highly reactive in the presence of water, even as atmospheric moisture. The optimisation of the treatment’ methods of the powders’ surface and of the processing steps was followed by exhaustive analysis of adsorption and evaluated by complementary techniques of UV, FT-IR, NMR and electrophoresis and of dispersion through electrophoresis measurements, rheology and particle size distribution. These studies provided a better understanding of the importance of the most relevant factors of the processing techniques and to control the different steps in order to obtain homogeneous bodies of complex geometry, enhancing the production of various components for the foundry industry, as well as for other different industries which use ceramic materials. In the particular case of non-oxide ceramics and, specially that of AlN, the colloidal processing in aqueous media represents a giant step! The knowledge developed may have highly positive impacts at several levels: healthier work conditions and lower explosive and fire dangers than in the case of using organic dispersing media; cleaner and environmentally-friend production methods; reduction of the production costs, leading to the production of cheaper, more competitive and of general use AlN-based ceramics.