Influência da adição de nióbio em liga de alumínio para componentes injetados de motores elétricos

Abstract

A baixa densidade, resistência à oxidação, aspecto visual, assim como suas propriedades térmicas e elétricas justificam o uso do alumínio em diversos segmentos da indústria nos dias atuais. A substituição de materiais como ferro fundido e aço pelo alumínio é cada vez mais comum em componentes para motores elétricos. Desde pequenas partes em componentes de controle e automação, até as carcaças fundidas dos motores já são fabricadas com este material. Outro metal muito versátil, porém relativamente pouco explorado em relação à aplicação industrial, é o nióbio. O nióbio é visto como uma alternativa promissora para diversas linhas de tecnologia, com mais de 90% das reservas mundiais de nióbio, empresas e institutos de pesquisa no Brasil estudam a aplicação deste minério na cadeia produtiva a fim de obter melhores propriedades em ligas ou até ganhos de processo com menor quantidade de resíduos gerados e maiores taxas de aproveitamento de material. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo a avaliação do impacto do nióbio como refinador de grão em uma liga de alumínio injetada para fabricação de um componente do motor elétrico. O principal requisito para a aplicação deste componente é a condutividade elétrica final na peça. A partir da entrega de uma condutividade aceitável para o projeto do motor, foram avaliados possíveis ganhos no processo a partir de peças com menores quantidades de defeitos. A metodologia adotada para os testes se baseou no processo de produção padrão do componente, via fundição sob pressão (injeção) da liga utilizada pela WEG. O comparativo foi realizado com duas alternativas de percentual de nióbio adicionados à esta liga, totalizando 0,05% e 0,075% de massa de nióbio no componente. Posteriormente à fabricação dos componentes, análises de fluidez, percentual de nióbio solubilizado na liga, condutividade elétrica, densidade, metalografia, dureza e microscopia eletrônica de varredura foram conduzidas para as três condições da liga (liga atual como referência em comparativo com as duas condições de adição do nióbio). Ao fim das análises, todas as amostras testadas satisfazem a condição necessária de condutividade elétrica para o componente. A partir das análises por imagem, e da densidade das peças, foi possível constatar indícios de refino da estrutura, porém não de maneira expressiva para justificar as adições de nióbio. Não foi possível avaliar os corpos de prova de fluidez devido à variação no vazamento dos moldes após preparação das ligas. Há indícios de precipitação do nióbio para o percentual de adição de 0,075%, o que pode prejudicar o mecanismo de refino da microestrutura assim como a melhora na fluidez e na densidade.

Aluminum is one of the most commonly used metals nowadays due to its low density, high oxidation resistance, visual aspect and good thermal and electrical conductivity. The substitution of materials like cast iron and steel by aluminum in electric machines is getting more frequent. Small components of automation and control systems and cast motor frames are already been manufactured in aluminum. Another material that is known to be versatile but relatively not explored in its full potential is the niobium. Niobium is known in the industry as a promising alternative for different applications. With more than 90% of the world reserves, companies and research institutes from Brazil study the application of this material on the production chain in order to improve the properties or even to achieve gains in the production process with less residue generation and a better performance in the alloy preparation. The present study has the objective to evaluate the impact of the niobium addition as grain refiner in an aluminum-based alloy for a component of an electric motor manufactured by die casting process. The main requirement for the application of the component is the electric conductivity. As this requirement is achieved, the gain in the process is evaluated by the analysis of the integrity of the components and if there is any presence of defects. The methodology adopted for the tests was based on the standard manufacturing process of the component, by die casting at WEG. The comparison was conducted with two conditions of niobium addition to the base alloy, 0,05% and 0,075% of weight percentage. After manufacturing the component, analysis of fluidity, weight percentage of niobium that was incorporated in the alloy, electric conductivity, density, metallography, hardness and scanning electron microscopy were conducted in order to compare the results in all the three conditions of the alloy (base alloy and with 0,05 and 0,075% of niobium addition, respectively). At the end of the tests, all samples reached the electric conductivity needed. With the image analysis and the density of the components, it was possible to verify sings of the grain refinement, but not expressive enough to justify the niobium addition. The samples of the fluidity test were not considered in the evaluation due to the variation in the temperature and time when pouring the molten alloy. There were signs of precipitation of the niobium in the 0,075% addition samples, that can damage the grain refining mechanism, the fluidity and the density of the samples.