Correlation between solidification thermal parameters, microstructure and mechanical properties of directionally solidified a-5xxx alloys

Processing high-Mg content Aluminum Alloys by continuous casting technics is considered an industry challenge. The present research aims to characterize 5xxx alloy series, considering composition based on the commercial alloy 5052 with different Mg contents (2.4wt.%, 2.6wt.% and 3.2wt.%, the latter intentionally extrapolated from the maximum limit) through transient directional solidification experiment. The results allowed to comprehend the effect of Mg content with respect to thermal parameters (cooling rate and VL- tip growth rate), microstructural parameters (primary and secondary dendritic spacing - Ai and À2) and mechanical properties (Brinell hardness) of different alloys. Microstructural analyzes were performed using polarized light microscopy and scanning electron microscopy (SEM) of samples taken from different ingot positions (between 3mm and 110mm from the water-cooled face). The experiments reached cooling rates between 7 and 30°C/s (considering the closest thermocouple to the bottom). The experimental growth law for microstructural evolution of Ai were obtained, resulting in: À1 = 640 TL 1/4 to the alloy with 2.4wt.%Mg and À1 = 300 TL 1/4 to the sample with 3.2wt.%Mg, in which experimental the exponent -1/4 is in agreement with the expression proposed by Jackson and Hunt modified by the analytical model of Garcia and Clyne. Secondary dendritic growth laws were also obtained concerning their variation with the growth rates, resulting in the following expressions:X2 = 27 VL-11 for the 5052-2.4wt.%Mg and X2 = 15.0 VL-11for the 5052-2.6wt.%Mg and 5052-3.2wt.%Mg* alloys. Thus, 5052 alloys containing higher Mg content may allow a significant decrease on X2 value for a certain VL. The hardness values were directly related to the size and distribution of the intermetallic particles and showed À2 as the main variable to affect mechanical properties for the tested alloys.Não recebi financiamentoAtualmente o processamento de ligas de alumínio com altos teores de Mg por fundição contínua é um desafio da indústria. Este trabalho tem como objetivo caracterizar ligas de Al da série 5xxx, tendo como base a liga comercial 5052 com variações em teores de Mg (2,4%, 2,6% e 3,2% em massa, este último extrapolado propositalmente da norma) por meio da solidificação direcional transitória, e assim compreender os efeitos do teor de Mg com relação a evolução de parâmetros térmicos (taxa de resfriamento e velocidade de solidificação), microestruturais (espaçamento dendrítico primário - λ1 e secundário – λ2), e propriedade mecânica (dureza Brinell). As análises microestruturais foram feitas através de microscopia de luz polarizada e microscopia eletrônica de varredura (MEV), de amostras retiradas de posições do lingote distando entre 3mm e 110mm da base refrigerada. Os experimentos atingiram taxas de resfriamento entre 7 e 30ºC/s no termopar mais próximo da base. Leis de crescimento experimentais para evolução microestrutural de λ1 para as diferentes composições químicas foram derivadas, resultando em: λ1=640 ̇−1/4 para a liga com 2,4%Mg e λ1=300 ̇−1/4 para a liga com 3,2%Mg, cujo expoente experimental -1/4 está de acordo com a expressão proposta por Jackson e Hunt modificada pelo modelo analítico de Garcia e Clyne. Foram levantadas também as leis de crescimento dendrítico secundárias com relação a velocidade de solidificação, VL, resultando nas expressões λ2=27 −1,1 para a liga 5052-2,4%Mg e λ2=15 −1,1 para as ligas 5052-2,6%Mg e 5052-3,2%Mg*. Ou seja, maiores teores de Mg na liga 5052 proporcionam uma expressiva redução no valor de λ2 para uma determinada VL. A evolução da dureza mostrou-se diretamente relacionada ao tamanho e a distribuição dos intermetálicos presentes, sendo λ2 o fator predominante no controle de dureza para as ligas examinadas