O impacto da fundição por compressão na microestrutura e nas propriedades mecânicas de ligas de magnésio com alto teor de zinco

O magnésio e as ligas de magnésio são caracterizados por baixa densidade, alta resistência e rigidez específicas, boas propriedades de amortecimento, excelente desempenho de blindagem eletrônica e facilidade de reciclagem. Eles possuem um valor de aplicação significativo e vastas perspectivas em áreas como indústrias automotiva, eletrônica, aeroespacial e de defesa. Entre elas, as ligas da série Mg-Zn-Al (ZA) apresentam bom desempenho em altas temperaturas, excelentes propriedades de fundição e menores custos de produção. Pesquisas indicam que alterando o teor de Zn e controlando a relação w(Zn)/w(Al) em ligas de Mg-Zn-Al, é possível aumentar a resistência ao calor da liga e a resistência à fluência em altas temperaturas.

A microestrutura das ligas Mg-Zn-Al consiste principalmente de fases estáveis ​​ao calor, como τ-Mg32(Al,Zn)49 (ponto de fusão 535°C), ϕ-Al2Mg5Zn2 (ponto de fusão 393°C) ou ε-MgZn (ponto de fusão 347°C). Ligas com w(Zn)/w(Al) ≥ 2, especialmente aquelas com alto teor de zinco (por exemplo, ZA102, ZA122, ZA122), apresentam melhor resistência ao calor e resistência à fluência devido à formação de fases estáveis ​​ao calor como Mg32(Al,Zn)49 e ε-MgZn. No entanto, defeitos de fundição, como encolhimento, ainda limitam a aplicação adicional de ligas de Mg-Zn-Al em processos de fundição tradicionais.

Squeeze Casting é uma tecnologia de processamento de metal eficiente e precisa que combina as características de fundição e deformação plástica. A aplicação de pressão durante a solidificação é benéfica para refinar o tamanho do grão e obter alimentação forçada durante a solidificação, reduzindo ou eliminando defeitos de fundição causados ​​por gás no fundido e contração de solidificação. Isso resulta em uma estrutura fundida mais densa.

No estudo focado na liga Mg-14Zn-3Al (ZA143), experimentos de squeeze casting foram conduzidos com pressões variadas (0, 40, 80 e 120MPa) para investigar seus efeitos na microestrutura, microporosidade e propriedades mecânicas. Os resultados mostraram que o aumento da pressão eliminou efetivamente os defeitos de fundição, melhorando a densidade e as propriedades mecânicas da liga.

Sob nenhuma pressão (fundição por gravidade), os dendritos de α-Mg eram grosseiros, e a segunda fase nos limites dos grãos foi distribuída de forma descontínua com uma pequena fração de área. À medida que a pressão aumentou para 40MPa, os dendritos de α-Mg foram refinados, a segunda fase aumentou e sua distribuição nos limites dos grãos mudou de descontínua para contínua, com tendência de refinamento na distribuição interna da segunda fase granular (ε-MgZn). Com mais aumento de pressão, a tendência de refinamento dos dendritos de α-Mg diminuiu, e a segunda fase exibiu uma distribuição reticulada contínua nos limites dos grãos, enquanto a distribuição interna da segunda fase granular fina continuou a aumentar.

Além disso, observou-se que ocorreu microporosidade quando não foi aplicada pressão. À medida que a pressão aumentou, principalmente em 80MPa e 120MPa, não foi observada microporosidade. Sem pressão, a microporosidade nas peças fundidas da liga de magnésio ZA143 concentrou-se principalmente na parte média superior, formando "faixas" distribuídas simetricamente ao redor do centro, enquanto havia menos microporosidade nas superfícies laterais e inferiores. Com o aumento da pressão, a microporosidade nas peças fundidas da liga de magnésio ZA143 a 40MPa e 80MPa diminuiu e não exibiu mais agrupamento denso, mas sim uma distribuição maior em "forma de V". Isto foi atribuído ao efeito de resfriamento na superfície do molde, fazendo com que o metal fundido na borda da fundição solidificasse primeiro, formando uma casca sólida. A casca sólida sofreu deformação plástica sob pressão, submetendo o metal fundido à pressão isostática. Nos estágios iniciais da fundição por compressão, a fina casca sólida era propensa à deformação plástica, resultando em alta pressão isostática no metal fundido, inibindo a formação de microporosidade nas superfícies laterais e inferiores. No entanto, à medida que a solidificação progrediu, a espessura da casca sólida aumentou e a energia consumida pela deformação plástica da casca sólida sob pressão aumentou. Consequentemente, a pressão isostática sobre o metal fundido na região central diminuiu, tornando-o suscetível à formação de microporosidade.

Resumindo:

1. A fundição por compressão refina os dendritos α-Mg, aumenta a segunda fase e transforma a microestrutura da liga Mg-14Zn-3Al da matriz α-Mg, fase τ-Mg32 (Al, Zn) 49 em forma de bloco longo, para granular ou esquelético ε-MgZn fase, com uma transição de distribuição descontínua para contínua nos limites dos grãos.

2. O aumento da pressão de fundição por compressão reduz a microporosidade em peças fundidas de liga Mg-14Zn-3Al. A fração de área de microporosidade diminui de 15,67% a 0MPa para 0,81% a 120MPa.

3. O aumento na pressão de fundição por compressão melhora o desempenho geral da liga Mg-14Zn-3Al. A 120MPa, a resistência à tração e o alongamento da liga são 218,1MPa e 5,2%, respectivamente, representando um aumento de 13,2% na resistência à tração e um aumento de 333% no alongamento em comparação com a fundição por gravidade.