BR112012020160B1

BR112012020160B1 - liga de alumínio-cobre para fundição, e, método de fabricar uma peça fundida

Info

Publication number: BR112012020160B1
Application number: BR112012020160A
Authority: BR
Inventors: Forde John; Stott William
Original assignee: Aeromet Int Plc
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2018-07-17
Also published as: GB2477744A; CA2825253A1; IL221338A; PL2534273T3; DK2534273T3; TWI502075B; US9033025B2; JP5810471B2; EP2534273B1; CN102834535A; RU2012138290A; IL221338A0; KR101738495B1; TW201142045A; KR20120136360A; US20130068411A1; ES2526297T3; EP2837702A1; WO2011098813A3; CA2825253C

Abstract

liga, método de fabricar uma peça fundida e peça fundida. é descrita uma liga de alumínio-cobre compreendendo partícula substancialmente insolúveis que ocupam as regiões interdentríticas da liga , provica com titânio livre em uma quantidade suficiente para resultar em um refino da estrutura granular na liga fundida.

Description

(54) Título: LIGA DE ALUMÍNIO-COBRE PARA FUNDIÇÃO, E, MÉTODO DE FABRICAR UMA PEÇA FUNDIDA (51) Int.CI.: C22C 1/10; C22C 21/12 (30) Prioridade Unionista: 10/02/2010 GB 1002236.6 (73) Titular(es): AEROMET INTERNATIONAL PLC (72) Inventor(es): JOHN FORDE; WILLIAM STOTT / 18 “LIGA DE ALUMÍNIO-COBRE PARA FUNDIÇÃO, E, MÉTODO DE FABRICAR UMA PEÇA FUNDIDA”

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [001] Esta invenção diz respeito a ligas de alumínio-cobre para fundição. Ligas de alumínio-cobre têm uma resistência potencialmente maior do que outros sistemas de liga de alumínio fundidos, tais como ligas de alumínio-silício. Entretanto, o uso de ligas de alumínio-cobre para aplicações de alto desempenho tem sido limitado por causa de sua capacidade de fundição relativamente baixa comparada com ligas de alumínio-silício.

[002] O pedido de patente GB 2334966A revela uma liga de alumínio-cobre na qual partículas substancialmente insolúveis, preferivelmente de diboreto de titânio ou, possivelmente, de outros materiais tais como carboneto de silício, óxido de alumínio, diboreto de zircônio, carboneto de boro, ou nitreto de boro, ocupam regiões interdendríticas da liga quando ela é fundida. Seria de se esperar que tais partículas, que normalmente são duras e frágeis, resultassem em uma redução inaceitável na ductilidade da liga fundida, mas, de fato, pesquisa tem mostrado que boa ductilidade é mantida, já que as partículas mudam as características de solidificação da liga, eliminando heterogeneidade composicional em macroescala e reduzindo porosidade pela contração. Durante solidificação da liga, as partículas de TiB2 preenchem os espaços interdendríticos, à medida que dendritas de alumínio nucleiam e começam a crescer, e a presença das partículas de TiB2 restringe o movimento do metal líquido remanescente através dos canais interdendríticos. Isto promove uma mudança no sentido de alimentação de massa, que reduz a ocorrência tanto de porosidade pela contração ligada tanto à parte interna quanto à superfície. Entretanto, mesmo TiB2 sendo conhecido como um refinador de grão, o tamanho de grão continua muito grande (por exemplo, cerca de 1 mm). Esta estrutura granular não refinada pode resultar em problemas com trincas a quente, particularmente em peças fundidas em areia,

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 12/32 / 18 e pode também levar à formação de porosidade por contração em peças fundidas grandes com resfriamento lento, tais como aquelas produzidas por fundição de precisão ou fundição em areia.

[003] A JP 11199960 revela uma liga de alumínio adequada para fabricar peças fundidas de cabeçote de cilindro de motor, que pode conter titânio. Entretanto, a liga é uma liga de alumínio-silício; tais ligas fundamentalmente têm fluidez e capacidade de fundição muito maior que ligas contendo pouco ou nenhum silício, e não apresentam o mesmo nível de trinca a quente ou porosidade por contração com estas últimas ligas.

[004] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, uma liga de alumínio-cobre compreendendo partículas substancialmente insolúveis, que ocupam as regiões interdendríticas da liga, é provida com titânio livre até o ponto em que, em combinação com partículas insolúveis, resulta em um refino adicional da estrutura granular na liga fundida, e favorece uma consequente melhoria tanto na capacidade de fundição quanto nas suas propriedades físicas.

[005] [006] [007] [008] [009]

A liga pode compreender pelo menos 0,01% de titânio.

A liga pode compreender até 1% de titânio.

A liga pode compreender até 0,50% de titânio.

A liga pode compreender até 0,15% de titânio (hipoperitética). A liga pode compreender mais de 0,15% de titânio (hiperperitética).

[0010]

A liga pode compreender:

Cu

Mg

Ag

Mn

Fe

Si

3,0 - 6,0%

0,0 - 1,5%

0,0 - 0,8%

0,0 - 1,5% max 0,0 - 1,5% max

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 13/32 / 18

Zn	0,0 - 4,0%
Sb	0,0 - 0,5%
Zr	0,0 - 0,5%
Co	0,0 - 0,5%
Ti	0,01 - 1,0%
Partículas insolúveis	até 20%
Al e impurezas inevitáveis	saldo.

[0011] As partículas insolúveis podem ter um tamanho de partícula de

0,5 pm ou mais. Elas podem ser até 25 pm. Preferivelmente, o tamanho de partícula pode ser até 15 pm, ou até 5 pm. As partículas insolúveis podem estar presentes em pelo menos 0,5%, possivelmente até 20%.

[0012] [0013]

A liga pode compreender:
Cu	4,0 - 5,0%
Mg	0,2 - 0,5%
Ag	0,0 - 0,5%
Mn	0,0 - 0,6%
Fe	0,0 - 0,15%
Si	0,0 - 0,15%
Zn	0,0 - 1,8%
Sb	0,0 - 0,5%
Zr	0,0 - 0,5%
Co	0,0 - 0,5%
Ti	0,01 - 1,0%
Partículas insolúveis	até 10%
Al e impurezas inevitáveis	saldo.
A liga pode compreender:
Cu	4,0 - 5,0%
Mg	0,2 - 0,5%
Ag	0,4 - 1,0%

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 14/32 / 18

Mn 0,0 - 0,6%

Fe 0,0 - 0,15%

Si 0,0 - 0,15%

Zn 0,0 - 1,8%

Sb 0,0 - 0,5%

Zr 0,0 - 0,5%

Co 0,0 - 0,5%

Ti 0,01 -1,0%

Partículas insolúveis até 10%

Al e impurezas inevitáveis saldo.

[0014] As partículas insolúveis podem estar presentes na faixa de

0,5% a 10%, ou 1,5% a 9%, ou 3% a 9%, ou 4% a 9%.

[0015]	A liga pode compreender:
	Cu	4,2 - 5,0%
	Mg	0,2 - 0,5%
	Ag	0,0 - 0,85%
	Mn	0,0 - 0,4%
	Fe	0,0 - 0,15%
	Si	0,0 - 0,15%
	Zn	0,0 - 1,8%
	Sb	0,0 - 0,5%
	Zr	0,0 - 0,5%
	Co	0,0 - 0,5%
	Ti Partículas insolúveis 1,5- 9,0%	0,01 - 1,0%
	Al e impurezas inevitáveis	saldo.
[0016]	A liga pode compreender:
	Cu	4,2 - 5,0%
	Mg	0,2 - 0,5%

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 15/32 / 18 [0017] [0018]

^Ag	0,45 - 0,85%
Mn	0,0 - 0,4%
Fe	0,0 - 0,15%
Si	0,0 - 0,15%
Zn	0,0 - 1,8%
Sb	0,0 - 0,5%
Zr	0,0 - 0,5%
Co	0,0 - 0,5%
Ti	0,01 -1,0%
partículas insolúveis 4,0 - 9,0%.
A liga pode compreender:
Cu	4,2 - 5,0%
Mg	0,2 - 0,5%
Ag	0,45 - 0,85%
Mn	0,0 - 0,4%
Fe	0,0 - 0,15%
Si	0,0 - 0,15%
Zn	0.0 - 1,8%
Sb	0,0 - 0,5%
Zr	0,0 - 0,5%
Co	0,0 - 0,5%
Ti	0,01 - 1,0%
Partículas insolúveis	1,5 - 9,0%
Al e impurezas inevitáveis	saldo.
A liga pode compreender:
Cu	4,2 - 5,0%
Mg	0,2 - 0,5%
Ag	0,45 - 0,85%
Mn	0,0 - 0,4%

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 16/32 / 18

Fe 0,0 - 0,15%

Si 0,0 - 0,15%

Zn 0,0 - 1,8%

Sb 0,0 - 0,5%

Zr 0,0 - 0,5%

Co 0,0 - 0,5%

Ti 0,01 - 1,0%

Partículas insolúveis 4,0 - 9,0%

Al e impurezas inevitáveis saldo.

[0019] As partículas insolúveis podem ser de um tamanho que é pelo menos na região da ordem de grandeza menor que do espaçamento do braço da dendrita / tamanho de grão da liga sólida e ocupar as regiões interdendríticas/intergranulares da liga.

[0020] As partículas podem compreender partículas de diboreto de titânio.

[0021] A liga pode compreender 0,5% - 20% de partículas de diboreto de titânio.

[0022] A liga pode compreender 0,5% - 10% de partículas de diboreto de titânio.

[0023] A liga pode compreender 3% - 7% de partículas de diboreto de titânio.

[0024] A liga pode compreender 4% de partículas de diboreto de titânio.

[0025] A liga pode compreender 7% de partículas de diboreto de titânio.

[0026] Dois ou mais aspectos importantes que foram identificados como fatores que levam a variabilidade das propriedades mecânicas e integridade estrutural em ligas a base de alumínio-cobre, são a segregação de elementos de liga e a formação de porosidade interdendrítica, particularmente

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 17/32 / 18 a que é conectada na superfície.

[0027] Pesquisa sobre ligas de alumínio e cobre indicaram que um fator significante que contribui para a variabilidade das propriedades do material de tais ligas é o fluxo de material rico em soluto através dos interstícios entre os braços das dendritas criados durante solidificação.

[0028] A fim de impedir ou reduzir a ocorrência desses fenômenos, adições de partículas substancialmente insolúveis finamente divididas têm sido feitas de acordo com a invenção. Normalmente, seria de se esperar que a adição de tais partículas, que são normalmente duras e frágeis, resultasse em uma redução inaceitável na ductilidade da liga. Entretanto, a pesquisa realizada mostrou que boa ductilidade é mantida, como será visto no exemplo apresentado a seguir.

[0029] Porosidade interdendrítica dispersa é também uma característica dessas ligas por causa de problemas contração pela solidificação na alimentação através dos interstícios das dendritas. Este tipo de porosidade também causa uma redução nas propriedades mecânicas do material, isto é, limite de resistência, alongamento e vida sob fadiga.

[0030] Percebe-se que, na presente invenção, a adição de partículas substancialmente insolúveis finamente divididas muda as características de solidificação da liga e elas não são aplicadas como um mecanismo de endurecimento direto para a liga. A adição complementar de titânio em variados níveis resulta em uma redução significante no tamanho de partícula e altera adicionalmente esses mecanismos de solidificação, da maneira descrita a seguir.

[0031] De acordo com um outro aspecto desta invenção, é provido um método de fabricar uma peça fundida compreendendo a etapa de fundir uma liga de alumínio e cobre compreendendo:

Cu 4,0 - 5,0%

Mg 0,2 - 0,5%

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 18/32 / 18

Ag 0,0 - 1,0%

Mn 0,0 - 0,6%

Fe 0,0 - 0,15%

Si 0,0 - 0,15%

Zn 0,0 - 1,8%

Sb 0,0 - 0,5%

Zr 0,0 - 0,5%

Co 0,0 - 0,5%

Ti 0,01 - 1,0%

Al e impurezas inevitáveis saldo.

[0032] Com 0,5 - 10% de partículas insolúveis, e vazamento da liga resultante em um molde.

[0033] De acordo com um outro aspecto da invenção, é provida uma peça fundida feita de uma liga, ou por um processo, desta invenção.

[0034] A invenção será agora descrita por meio de um exemplo com referência aos desenhos anexos, em que:

[0035] A figura 1 é uma vista diagramática do molde de fundição de corpo de prova;

[0036] A figura 2 é uma vista diagramática da peça fundida resultante.

[0037] A figura 3 é um esquema da peça fundida resultante quando seccionada para exame microscópico.

[0038] As figuras 4a, b, c são imagens de microscópio mostrando a redução no tamanho de partícula com o aumento dos níveis de titânio de 0,02% em peso*, 0,15% em peso* e 0,44% em peso*.

[0039] As figuras 5a, b, c são imagens de microscópio ótico mostrando a alteração na microestrutura com o aumento na% em peso de titânio de 0,02% em peso*, 0,15% em peso*, 0,44% em peso*, respectivamente.

[0040] As figuras 6a, b, c ilustram respectivamente, em uma escala

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 19/32 / 18 ampliada, a microestrutura de ligas com quantidades crescentes de titânio. [0041] As figuras 7a, b ilustram o efeito na microestrutura conseguido controlando-se a taxa de resfriamento de peças fundidas.

[0042] Note * - Todas as porcentagens em peso nesta seção são valores medidos e assim são sujeitos a erro padrão. A análise composicional foi realizada por espectroscopia de emissão ótica de plasma indutivamente acoplada e é sujeita a erro padrão de ±2% do valor alcançado.

[0043] De acordo com a invenção, uma liga compreendendo:

Cu	4,35%
Mg	0,42%
Ag	0,70%
Mn	0,01%
Fe	0,01%
Si	0,07%
Zn	0,01%
Ti	0,02%
TiB2	4,80%,

denotada liga A, foi fundida de uma maneira convencional.

[0044] A liga foi fundida em um molde de areia ligado com resina; a configuração do molde é detalhada na figura 1. O corpo de prova foi vazado diretamente de um cadinho a uma temperatura de 850 °C e a peça fundida resultante foi solidificada naturalmente ao ar. A peça fundida resultante, figura 2, foi seccionada da maneira descrita na figura 3 e a superfície A marcada na figura 3 foi retificada utilizando lixa de carboneto de silício de granulação 120-1.200 e polida usando composto de diamante e sílica coloidal. A superfície resultante foi então atacada usando reagente de Kellers e convertida em imagem usando um macroscópio e microscópio ópticos.

[0045] Ligas de composição similar compreendendo *

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 20/32 / 18

Cu

Mg ^Ag

Mn

Fe

Si

Zn

Ti

TÍB2 denotada liga B, e

Cu

Mg

Ag

Mn

Fe

Si

Zn

Ti

4,29%

0,49%

0,75%

0,0%

0,01%

0,05%

0,01%

0,15%

4,89%,

4,42%

0,26%

0,78%

0,01%

0,04%

0,01%

0,44%

TiB2 4,58%, denotada liga C, foram produzidas de uma maneira similar e de acordo com a invenção.

[0046] Como pode-se ver pelas composições apresentadas, essas ligas de acordo com a invenção, contiveram entre 1-9% em peso de partículas de diboreto de titânio. Essas partículas tiveram um tamanho na faixa de 0,5-15 mícrons. No exemplo anterior, o tamanho de grão da liga foi determinado entre 40 e 200 pm e o tamanho de partícula de diboreto de titânio na faixa de 0,5-15 pim assim, as partículas tiveram aproximadamente uma ordem de

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 21/32 / 18 magnitude menor que o tamanho de grão. Quando as três peças fundidas foram comparadas tanto em macroescala quanto em microescala, a redução relativa no tamanho de grão com o aumento do nível de titânio é claramente observada.

[0047] A figura 4a mostra, em uma macroescala, a estrutura granular na peça fundida da liga A. A figura 4b mostra, na mesma escala, a estrutura granular da peça fundida da liga B, e a figura 4c mostra a estrutura granular na peça fundida da liga C. A redução relativa no tamanho de grão com o aumento do nível de titânio está claramente visível. As figuras 5a, 5b e 5c ilustram a estrutura granular alcançada nas três ligas em uma microescala. [0048] A liga A, contendo 0,02% * de titânio apresenta uma estrutura dendrítica de grãos grosseiros relativamente equiaxiais, vide figura 5a.

[0049] A liga B contendo 0,15% * de titânio apresenta uma estrutura granular fina com alguns braços de dendrita primária ainda visíveis, vide figura 5b.

[0050] A liga C contendo 0,44% * de titânio apresenta uma estrutura homogênea de grãos completamente finos, vide figura 5c.

[0051] Este aumento na% em peso de titânio tem um efeito nos mecanismos de solidificação e na estrutura solidificada da liga.

[0052] A liga C contendo 0,4% * de titânio tem um efeito nos mecanismos de solidificação e na estrutura solidificada da liga. Esses mecanismos de solidificação alterados ocorrem por causa da interação do maior refino de grão (resultado de Till· e/ou TiAh ativado) e partículas de Till· “empurradas” inativas. Esta interação resulta em uma tendência amplamente reduzida para a liga apresentar trinca a quente, um efeito de velocidade de resfriamento minimizado no tamanho de grão e, consequentemente, propriedades mecânicas mais consistentes através das seções de variadas espessuras, melhor acabamento superficial e também permite uma redução significativa no nível de metal de alimentação

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 22/32 / 18 necessário para produzir uma peça fundida de qualidade.

[0053] A adição de titânio livre afeta a liga de duas maneiras, dependendo da quantidade de titânio adicionado.

[0054] Primeiramente, adições de titânio abaixo de 0,15% em peso são na região hipoperitética; isto significa que, abaixo deste nível, partículas de TiAl3 não formarão no banho de alumínio. Entretanto, a teoria de nucleação de grãos sugere que, a níveis hipoperitéticos, uma camada atomicamente fina, similar em estrutura de TiAl3, forma na superfície das partículas de TiB2, e isto facilita a nucleação de alumínio-α. É por este mecanismo que a adição de TiB2 a corridas de alumínio resulta em refino de grão, já que as partículas de TiB2 agem como sítios de nucleação heterogêneos para grãos de alumínio-α. A eficiência dessas partículas é considerada na região de 1-2%, e assim somente um número relativamente pequeno de partículas realmente inicia um grão; as demais partículas são empurradas para os contornos de grão pelos grãos de alumínio em crescimento.

[0055] Assim, em uma liga de acordo com a invenção, a adição de níveis hipoperitéticos de titânio no banho essencialmente ativa as partículas de TiB2 presentes na liga. Em vez de partículas TiB2 serem utilizadas somente para afetar o fluxo de metal, elas servem com o duplo propósito de refinar a estrutura granular da liga, ainda também afetando os mecanismos de fluxo e alimentação de metal líquido. Onde TiB2 é adicionado meramente como um refinador de grão, o nível de adição é baixo tal como 0,004% em peso e, mesmo nesses níveis, a eficiência de nucleação é 1-2%. Em uma liga de acordo com a invenção, os níveis de TiB2 podem ser mais altos, e assim existe uma vasta quantidade de partículas de TiB2 que permanecem inativas, e essas partículas são empurradas pelos grãos em crescimento para as regiões intergranulares durante solidificação. Este empurrão de partículas junto com o refino de grão observado pela adição de níveis hipoperitéticos de titânio

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 23/32 / 18 resulta em benefícios significantes, como se segue:

• Um menor tamanho de grão resulta em unidades de células individuais mais uniformes e, mediante solidificação, isto facilita movimentar a alimentação de massa observada na liga. Ligas de alumínio contraem mediante solidificação; isto é normalmente facilitado pelo fluxo de metal líquido através das regiões interdendríticas, e áreas que não podem ser alimentadas pelo metal líquido mediante contração formam vazios conhecidos como poros de contração. O princípio de alimentação de massa funciona com base em que, por causa da presença das partículas de TiB2 nas regiões interdendríticas, existe resistência suficiente para o fluxo de metal líquido que a liga é forçada a alimentar pelo movimento geral da aglomeração líquido/sólido/partículas. Isto só pode ocorrer em um período sustentado se a distribuição das partículas for muito homogênea, que pode ser garantido somente se o tamanho de grão for pequeno e uniforme.

• Este uso duplo das partículas de TiB2 tanto como refinador de grão quanto de modificador de solidificação/alimentação melhora significativamente a resistência a porosidade por contração e trinca a quente, e também dá uma estrutura fundida mais homogênea.

• A distribuição homogênea de partículas de TiB2 na estrutura solidificada também permite propriedades mecânicas mais consistentes e mantendo o alongamento. Uma estrutura granular finos permite que o TiB2 seja ampla a uniformemente distribuído na estrutura solidificada, se este não for o caso, então as partículas de TiB2 se aglomerariam e, como uma cerâmica frágil, facilitariam o crescimento de trincas na liga, reduzindo significativamente a ductilidade.

• A mudança de alimentação dendrítica para alimentação de massa

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 24/32 / 18 tem implicações muito importantes em termos de projeto e alimentação do sistema de corrida do componente. Um dos maiores problemas com ligas de alumínio - cobre previamente conhecidas é que, a fim de conseguir uma peça fundida de qualidade, a fundição tem que ser alimentada com uma grande quantidade de metal de alimentação líquido, e, em decorrência disto, os rendimentos de material são muito baixos. Isto impacta pesadamente o custo da liga, com grandes quantidades de metal virgem sendo fundidas para produzir componentes relativamente pequenos. Usar a alimentação de massa permite grandes reduções nas exigências de alimentação, que melhora a eficiência em termos de uso de material e entrada de energia por peça fundida.

[0056] Entretanto, nesta concentração de titânio, refino de grão foi considerado altamente dependente da velocidade de resfriamento. O aumento do tamanho de grão pode ocorrer em regiões de resfriamento lento com a estrutura celular tornando mais globular e tipo dendrita, isto pode afetar negativamente a liga, tornando-a mais suscetível a problemas tais como a trinca a quente e também eliminando as exigências de baixa alimentação de metal. Consequentemente, uma liga de acordo com a invenção com esta faixa de Ti é mais adequada para sistemas de resfriamento rápido, por exemplo, fundição em matriz.

[0057] Acima de 0,15% em peso de titânio livre, a liga torna-se hiperperitética com relação ao teor de titânio. Acima deste nível, partículas de TiAl3 podem formar no banho de alumínio. A adição de níveis hiperperitéticos de titânio na liga resulta em uma diminuição inesperada adicional no tamanho de grão e alterações ainda extremamente importantes para manter o comportamento da solidificação. Tipicamente, é de se esperar que a adição de níveis hiperperitéticos de titânio a uma liga já contendo 4 5% em peso de TiB₂ tenha pouco efeito adicional no refino de grão, mas, de

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 25/32 / 18 acordo com a invenção, observou-se que apresentou não somente os efeitos combinados tanto de TiB2 quanto de TiAb reduzem o tamanho de grão, mas também teve um efeito significante nos mecanismos de solidificação e alimentação, com melhorias resultantes na capacidade de fundição.

[0058] A adição de titânio nesta região hiperperitética permite a formação de partículas de TiAl3, que formam o banho de alumínio bem acima do liquidus. TiAl3 tem se mostrado um refinador de grão mais potente que TiB2 e, assim, no metal líquido antes da solidificação, existe um amplo número de partículas de TiAl3 suspensas junto com partículas de TiB2. Mediante solidificação, as partículas de TiAl3 nucleiam rapidamente um volume muito grande de grãos de alumínio, e o crescimento de grão é inibido pelas partículas de TiB2 à medida que elas são empurradas para os contornos de grãos. Como com TiB2 nem toda partícula de TiAl3 nucleará um grão, entretanto, diferente de partículas de TiB2, partículas de TiAl3 são engolidas pela frente de crescimento em avanço, em vez de empurradas, isto é crítico na manutenção da ductilidade da liga. A formação de TiAl3 no banho resulta em uma redução adicional no tamanho de grão, quando comparado com a adição de titânio hipoperitético e permite que grãos extremamente finos sejam formados a altas taxas de resfriamento. Entretanto, de forma mais importante, permite a formação de estruturas de grãos altamente finos, mesmo em seções de resfriamento lento. O refino de grão é ainda função da velocidade de resfriamento, mas o alto nível de refino de grão significa que, mesmo a baixas velocidades de resfriamento, o tamanho de grão é pequeno o bastante para permitir que ocorra resfriamento de massa. Assim, com a adição de titânio hiperperitético, não somente os grãos observados previamente na liga hipoperitética podem ser obtidos tanto em técnicas de fundição em areia quanto fundição de precisão, eles realmente facilitam ainda mais reduções em termos de metal de alimentação, resultando em aumentos no rendimento de material e aumentos em eficiência de material e de energia.

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 26/32 / 18 [0059] Os efeitos citados na estrutura granular estão ilustrados nas figuras 5a, b e c, e também na figura 6. A figura 6a ilustra a microestrutura da liga a uma% em peso de titânio muito baixa, embora a estrutura seja equiaxial e mostre uma certa evidência de refino de grão o nível de refino é muito baixo. A figura 6b mostra a microestrutura hipoperitética com até 0,15% em peso de titânio livre. Na figura 6b, TiB2 pode ser observado no centro dos grãos de alumínio e não existem partículas de aluminida presentes, indicando que a liga está abaixo do patamar peritético. A figura 6c mostra que 0,15% em peso de titânio até 1,0% em peso de titânio, TiAl3 pode ser observado no centro dos grãos de alumínio, indicando que o nível de titânio está acima do patamar peritético e que os aluminidas estão agora agindo como partículas de nucleação.

[0060] A adição de titânio permite uma ampla faixa de tamanhos de grão na condição fundida, dependendo da velocidade de resfriamento. As figuras 7a e 7b, respectivamente, ilustram, na figura 7a, uma estrutura granular excepcionalmente fina que pode ser conseguida quando a velocidade de resfriamento é extremamente alta, enquanto a figura 7b ilustra uma estrutura granular mais grosseiros quando a velocidade de resfriamento é menor, essas ligas contêm níveis hiperperitéticos de titânio.

[0061] Em geral, como anteriormente explicado, a quantidade de titânio livre necessária para refinar a estrutura granular na liga fundida e facilitar a mudança para a alimentação de massa está relacionada com a velocidade de resfriamento da peça fundida feita da liga. Em geral, para peças fundidas de tamanho equiparável com uma outra, fundição em areia convencional e fundição de precisão exigem níveis de titânio acima do patamar peritético por causa das velocidades de resfriamento inerentemente baixas. Entretanto, processos de fundição de maior velocidade de resfriamento tais como fundição em matriz e fundição em areia altamente coquilhada podem obter refino de grão usando níveis hipoperitéticos de

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 27/32 / 18 titânio livre.

[0062] A amplificação do fenômeno de alimentação de massa observado na faixa de titânio hiperperitético permite reduções significantes no metal de alimentação exigido para produzir uma peça fundida de qualidade. Ligas de alumínio típicas exigem grandes reservatórios de metal líquido para suprir a solidificação e contração; se uma área for isolada de um suprimento de metal líquido, porosidade forma para compensar a mudança volumétrica à medida que a peça fundida solidifica e contrai. Se a estrutura for alimentada por massa e a peça fundida tornar-se uma estrutura coerente em tal estágio inicial no processo de solidificação e, se, na solidificação, não houver movimento interdendrítico de metal líquido, então existe muito pouca probabilidade de surgir porosidade pela contração.

[0063] O resultado prático disto na fabricação de peça fundida é que o rendimento de uma peça fundida, ou peças fundidas, de uma dada quantidade de metal é bastante melhorado, isto é, o número de dados componentes que podem ser fundidos de uma quantidade particular de metal é aumentado. Isto resulta em redução de custo e energia, tanto na produção de peças fundidas quanto no processamento pós-fundição de componentes.

[0064] Além do mais, a redução no tamanho de grão e a transformação de uma estrutura dendrítica para celular resulta em uma redução tanto da porosidade relacionada com a superfície quanto, criticamente, contração interna. Isto afeta diretamente o desempenho sob fadiga de componentes fundidos a partir da liga, já que porosidade é um dos fatores mais detrimentais para a vida sob fadiga. Poros agem como pontos de iniciação em corpos de prova submetidos a carga de fadiga e também afeta a propagação de trincas e falha final, agindo como concentradores de tensão e reduzindo a área de sustentação de carga.

[0065] Nesta especificação:

[0066] as composições são expressas em porcentagem em peso. Na

Petição 870180039182, de 11/05/2018, pág. 28/32 / 18 expressão “partículas insolúveis”, “insolúvel” significa partículas que são pelo menos substancialmente insolúveis na liga; “partículas” significa partículas de metal, ou de componentes intermetálicos ou de material cerâmico. As partículas podem compreender, por exemplo, diboreto de titânio ou carboneto de silício, óxido de alumínio, diboreto de zircônio, carboneto de boro ou nitreto de boro. Embora somente uma composição de liga específica incorporando a invenção tenha sido aqui descrita a título de exemplo, outras composições de liga são referidas aqui e nas reivindicações a título de exemplo, outras composições são referidas aqui e nas reivindicações, e uma liga concebendo a invenção pode ter uma composição de liga, uma composição de partícula, um tamanho de partícula, um conteúdo de partícula, etc. descritos em qualquer parte desta especificação.

[0067] Quando usados nesta especificação e reivindicações, os termos “compreende” e “compreendendo” e suas variações significam que os recursos, etapas ou partes inteiras especificadas são incluídas. Os termos não devem ser interpretados de forma a excluir a presença de outros recursos, etapas e componentes.

[0068] Os recursos revelados na descrição apresentada, ou nas reivindicações seguintes, ou nos desenhos anexos, expressos nas suas formas específicas ou em termos de um dispositivo para realizar a função revelada, ou um método ou processo para alcançar o resultado revelado, da forma apropriada, podem, separadamente, ou em qualquer combinação de tais recursos, ser utilizados para realizar a invenção nas suas diversas formas.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Liga de alumínio-cobre para fundição, caracterizada pelo fato de que consiste de:

Cu 3,0 - 6,0% Mg 0,0 - 1,5% Ag 0,0 - 1,5% Mn 0,0 - 0,8% Fe 0,0 - 1,5% Si 0,0 - 1,5% Zn 0,0 - 4,0% Sb 0,0 - 0,5% Zr 0,0 - 0,5% Co 0,0 - 0,5% Ti livre > 0,15 - 1,0% partículas insolúveis 3,0 - 7,0%; e Al e impurezas inevitáveis saldo, em que as partículas insolúveis ocupam

interdendríticas da liga e consistem em partículas de diboreto de titânio, e em que a liga de alumínio-cobre consiste em mais do que 0,15% em peso de titânio livre para resultar em um refino da estrutura granular na liga fundida.

2. Liga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas insolúveis têm um tamanho de partícula fica na faixa de 0,5 a 25 pm.
3. Liga, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o tamanho de partícula fica na faixa de 0,5 a 15 pm.
4. Liga, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o tamanho de partícula fica na faixa de 0,5 a 5 pm.
5. Liga, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que consiste em 4% em peso de

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2 / 2 partículas de diboreto de titânio.
6. Liga, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que consiste em 7% em peso de partículas de diboreto de titânio.
7. Método de fabricar uma peça fundida, caracterizado pelo fato de que consiste em fundir uma liga de alumínio e cobre, como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, e introduzir a liga resultante em um molde.

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