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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Microestruturas de solidificação e resistência ao desgaste de ligas monotéticas Al-Bi-Sn
Title Alternative: Solidification microstructures and wear resistance of Al-Bi-Sn monotectic alloys
Author: Costa, Thiago Antônio Paixão de Sousa, 1988-
Advisor: Garcia, Amauri, 1949-
Abstract: Resumo: As ligas monotéticas à base de alumínio podem apresentar características tribológicas interessantes, com o soluto atuando como um lubrificante sólido, enquanto que a matriz garante a resistência estrutural. A adição de um terceiro elemento pode aumentar a capacidade da liga metálica em resistir à cargas mais intensas e, dependendo da natureza deste terceiro elemento, conferir ganhos nas propriedades tribológicas do material. As características microestruturais dessas ligas, tais como morfologia, distribuição, dimensão das fases constituintes e, consequentemente, o comportamento em desgaste estão intimamente ligadas aos parâmetros operacionais empregados no seu desenvolvimento. No presente trabalho, as ligas Al-2%Bi-1%Sn, Al-3,2%Bi-1%Sn, Al-7%Bi-1%Sn e Al-7%Bi-3,5%Sn foram solidificadas unidirecionalmente sob um largo intervalo de taxas de resfriamento, permitindo um amplo espectro de variação na escala microestrutural para análise. A microestrutura de todas as ligas investigadas caracteriza-se por ser constituída por partículas (glóbulos) de uma mistura eutética autolubrificante de Bi e Sn aprisionadas (envolvidas) pela matriz de Al. Foram propostas correlações experimentais entre os espaçamentos interfásicos, distribuição e diâmetro das partículas com taxa de resfriamento, velocidade de solidificação, microdureza e resistência ao desgaste, com o objetivo de subsidiar informações que permitam a pré-programação das condições impostas na fabricação do material para atender a uma determinada propriedade final. Ensaios de microdureza e desgaste microabrasivo foram realizados a partir de amostras contendo diferentes espaçamentos interfásicos e distintos diâmetros dos glóbulos de Bi/Sn, sendo propostas equações correlacionando os resultados de microdureza e volume desgastado, V, com o espaçamento interfásico. Apesar do pequeno aumento de microdureza para menores valores de espaçamento interfásico para regiões próximas à base refrigerada para as ligas contendo 2% e 3,2%Bi, solidificadas unidirecionalmente, foi possível notar que a concentração de Bi não apresentou efeito significativo sobre a dureza das ligas. Além disso, distribuições mais homogêneas dos glóbulos de Bi/Sn conduziram a menores valores de V. Os menores valores de taxa de desgaste e volumes desgastado foram observados para a liga de composição monotética (Al-3,2%Bi-1%Sn). A presença de altas frações em área de óxido de Fe torna descontínuo o filme lubrificante de Bi/Sn, conduzindo a menores resistências ao desgaste, observadas para as ligas hipermonotéticas (Al-7%Bi-1%Sn e Al-7%Bi-3,5%Sn). Quando comparado com os resultados de evolução microestrutural existentes na literatura para a liga monotética binária Al-3,2%Bi, a adição de Sn reduziu o espaçamento interfásico, quando a liga ternária e a binária são submetidas a uma mesma condição de solidificação. A adição de 1%Sn aumenta a resistência ao desgaste da liga binária Al-3,2%Bi, permitindo uma aplicação mais ampla para a fabricação de componentes que serão submetidos à condições de desgaste

Abstract: Al-based monotectic alloys can have interesting tribological characteristics with the solute acting as a solid lubricant, while the matrix provides required structural integrity. The addition of third elements can increase the alloy load capacity, and depending on the nature of the third element can also improve the tribological characteristics. The microstructural features of these alloys, such as morphology, distribution, length scale of the phases and consequetly wear behavior depend strongly on the parameters of their manufacture route. In the present study Al-2wt.%Bi-1wt.%Sn, Al-3.2wt.%Bi-1wt.%Sn, Al-7wt.%Bi-1wt.%Sn and Al-7wt.%Bi-3.5wt.%Sn alloys were directionally solidified (DS) under a large range of experimental cooling rates, permitting a wide spectrum of microstructural scales to be examined. The microstructure of all alloys studied is typified by droplets of a self-lubricating eutectic mixture of Bi and Sn embedded in the Al-matrix. Experimental correlations between the microstructure interphase spacing, area fractions of droplets of the eutectic mixture, solidification cooling rate, growth rate, microhardness and wear resistance were proposed, with a view to permitting solidification operational conditions to be pre-programmed in order to allow the casting to attain a determined level of final properties. Microhardness and micro-adhesive wear tests were carried out from samples having different interphase spacings and diameters of the minority phase and experimental equations relating microhardness and wear volume, V, to the interphase spacing were proposed. Despite a slight increase in hardness with smaller interphase spacings for regions closer to the cooled surface of the DS alloys castings having 2 and 3.2wt.%Bi, it is shown that the Bi content of the alloy has not a significant effect on hardness. Furthermore, a more homogeneous distribution of Bi/Sn droplets in the microstructure is shown to be conducive to lower V. The lowest wear rates and wear volumes are shown to be related to the monotectic composition (Al-3.2 wt.%Bi-1wt.%Sn alloy). The presence of higher fraction of Fe-oxide areas interrupting the Bi/Sn lubricant layer, is shown to induce inferior wear resistance for the hypermonotectic alloys (Al-7.0 wt.%Bi-1wt.%Sn and Al-7.0 wt.%Bi-3.5wt.%Sn). As compared with results of microstructure evolution of an Al-3.2wt.%Bi binary alloy existing in the literature, the addition of Sn induces the reduction in the interphase spacing, when binary and the corresponding ternary alloy are subjected to the same solidification conditions. Besides that, 1wt.%Sn addition on Al-3.2wt.%Bi improved higher wear resistance whe compared with binary alloy, inducing best applications in the manufacture of wear resistant components
Subject: Solidificação
Ligas de alumínio
Microestrutura
Resistência mecânica
Desgaste mecânico
Editor: [s.n.]
Citation: COSTA, Thiago Antônio Paixão de Sousa. Microestruturas de solidificação e resistência ao desgaste de ligas monotéticas Al-Bi-Sn. 2016. 1 recurso online (175 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/321225>. Acesso em: 31 ago. 2018.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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