(c) pureza comercial modificada com estrôncio; (d) alta pureza modificada com estrôncio. Fonte: McDONALD; NOGITA; DAHLE, 2004
Quando a frente de solidificação do eutético foi estudada por solidificação direcional, observou se que nas ligas de pureza comercial, a interface eutética da solidificação se estende na direção do crescimento e cria uma zona pastosa eutética. Porém, nas ligas de alta pureza observaram se uma frente plana de crescimento do eutético. O alumínio eutético tem basicamente a mesma orientação cristalográfica que as dendritas nas ligas não modificadas e nas ligas de alta pureza modificadas com estrôncio. Uma estrutura eutética
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mais complexa do grão é encontrada na liga comercial modificada com estrôncio. Um mecanismo que envolve o super resfriamento constitucional e uma transição colunar equiaxial explica as diferenças entre ligas puras e comerciais. Isto é causado provavelmente pela segregação do ferro e do magnésio e pela ativação dos núcleos potenciais na liga comercial (HEIBERGA et al, 2002).
No sistema alumínio silício foi estabelecido recentemente que a adição de estrôncio inibe a nucleação de grãos eutéticos e, consequentemente, aumenta o tamanho do grão eutético. O tamanho dos grãos eutéticos aumentam com uma adição inicial de estrôncio como resultado de uma diminuição de nucleação da fase eutética do silício. Isto pode ser confirmado com os dados quantitativos apresentados no gráfico 6, mostrando a redução na densidade da área de grãos eutético (e subseqüentemente um aumento no tamanho de grão eutético) com concentração crescente do estrôncio. O número dos grãos que nucleiam diminui rapidamente com adições crescentes do estrôncio até um ponto crítico. Este ponto varia como uma função da composição da liga base, mas adições acima deste nível não produzem uma redução adicional na nucleação (ou o aumento correspondente no tamanho de grão).
Gráfico 6: Adições de estrôncio diminuindo drasticamente o número de grãos que nucleiam (a linha sólida é uma linha de tendência). A barra de erro mostra desvio padrão de ±1.
Fonte: McDONALD; NOGITA; DAHLE, (2006).
Segundo a proposta de McDonald, Nogita e Dahle (2006), existe uma distribuição bimodal de núcleos nas ligas de alumínio silício comerciais que são removidos de modo progressivo com o aumento das adições de estrôncio. A paralisação do tamanho do grão eutético após a ultrapassagem de um nível crítico de estrôncio é o resultado do esgotamento
completo dos núcleos em potencial. O nível crítico de estrôncio diferirá entre as ligas com base na composição da liga, incluindo o tipo e grau de impurezas presentes e a condições de fusão. Embora exista pouca prova direta, existe a teoria que sugere que o tamanho do grão eutético pode influenciar uma variedade de propriedades de fundição, incluindo a propensão a trinca a quente, a formação da porosidade, as propriedades mecânicas, a resposta ao tratamento térmico, o acabamento superficial e a resistência à corrosão de muitas das ligas. Pode se concluir que as propriedades de processamento e em trabalho de fundidos de alumínio silício modificados com estrôncio são provavelmente mais estáveis se a concentração crítica mínima de estrôncio for excedida.
Um efeito mútuo de envenenamento é encontrado quando o conteúdo de Sr e B vai além de um certo limite. É proposto que o efeito deve ser devido a criação de um composto de Sr B (LIAO; SUN, 2003). Se o nível de adição for pequeno, como resultado tem se uma estrutura bem modificada e uma estrutura refinada. Entretanto, interações extremamente negativas entre o Sr e o Al1,5Ti1,5B3 são observadas se o nível de adição de refinador aumentar. Essa interação tem um impacto muito mais profundo na solidificação do eutético que na solidificação do Al primário. O banho tratado com adições combinadas de Sr e Al1,5Ti1,5B ainda mostram uma boa eficiência no refino do grão mesmo depois de perder toda a modificação completamente (LU; DAHLE, 2006).
* !18%
Os fluxos são compostos de sais de sódio, fluoretos, cloretos e potássio que promovem a separação dos óxidos do alumínio líquido. Os fluxos, em contato com o alumínio líquido, extraem calor que serve com energia de ativação para reagir com os óxidos da superfície do metal e provocar uma reação exotérmica elevando a temperatura na superfície que, por sua vez, permite o aumento da fluidez do alumínio aglomerado com os óxidos, retornando assim ao banho. Fluxos são complexos químicos que podem ser utilizados para desgaseificar, modificar ou mesmo refinar os grãos de alumínio durante a solidificação. Sua função básica, no entanto é de proteção do metal durante o processo de fusão, desoxidar o metal e limpeza do metal. Existem mais de 150 composições diferentes de fluxos utilizados na metalurgia do alumínio e muitos deles baseados no sistema NaCl KCl na proporção de 50% como mistura básica. Também temos a adição dos sais: CaF2; NaF; AlF3, AlCl3, NaAlCl4;
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Em função da aplicação, os fluxos são classificados em:
• Fluxo de cobertura: evita a oxidação do alumínio, protege o alumínio liquido contra a oxidação durante a fusão ou mesmo manutenção da temperatura em fornos a combustível ou indução.
• Fluxos escorificantes: promove a separação do alumínio da escória. É utilizada para diminuir as perdas de alumínio por arraste durante a remoção da escoria no processo de limpeza dos fornos.
• Fluxos de limpeza: é utilizado para a limpeza das paredes dos fornos de fusão e manutenção. Evita a formação de incrustações nas paredes.
Para cada faixa de temperatura de trabalho do alumínio existe uma composição específica de fluxo fora do qual não atuará de forma eficiente ou simplesmente não atuará causando desperdícios. A ação dos fluxos requer reação mecânica ou química entre os componentes ativos dos fluxos e os elementos que se desejam eliminar. Os fluxos que atuam a baixas temperaturas não promovem reações eficientes, permitindo que grande parte do alumínio fique retida, implicando em perdas significativas de metal que fica finamente disperso. Para minimizar este problema são adicionadas pequenas quantidades de óxidos reativos tais como sulfatos e nitratos. Estes componentes atuam como uma espécie de gatilho para uma série de reações exotérmicas que aumentam a temperatura, permitindo o coalescimento (reagrupamento) das partículas de alumínio e retornando ao banho (MALAVAZI, 2008).
2.8 DESGASEIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMINIO
De uma maneira geral, os metais no estado líquido tendem a absorver gases da atmosfera. As ligas de alumínio no estado líquido (acima de 660°C) apresentam grande solubilidade de hidrogênio. Entretanto, na solidificação, a solubilidade de hidrogênio diminui drasticamente, conforme mostrado no gráfico 7. Em decorrência deste fato, durante a solidificação, cerca de 95% do hidrogênio é segregado para as últimas porções de líquido, atingindo teores elevados e promovendo a formação de porosidades em regiões interdendríticas. Tais porosidades têm um efeito deletério sobre as propriedades mecânicas, notadamente sobre a ductilidade e a resistência à fadiga. A absorção de hidrogênio pelo metal líquido ocorre através da redução do vapor de água, conforme a reação:
Gráfico 7: Solubilidade do hidrogênio no alumínio em função da temperatura. Fonte: RANSLEY; NEUFELD (1947)
A eliminação de porosidades decorrentes da absorção de hidrogênio pode ser obtida de três maneiras:
• Reduzir a absorção de hidrogênio durante as etapas de fusão, manutenção e vazamento;
• Dificultar a nucleação das porosidades;
• Promover a desgaseificação da liga antes do vazamento.
Quanto maior a temperatura de aquecimento do alumínio líquido, maior será o volume de hidrogênio em forma de bolhas dentro do metal. Portanto, conclui se que é uma boa prática operacional não superaquecer o metal líquido, procurando mantê lo o mais próximo possível do ponto de solidificação, compatível com as condições de vazamento de cada produto (ABAL, 2006).
O processo de desgaseificação é o mais utilizado e é tradicionalmente realizado por três processos:
1 desgaseificação à vácuo;
2 borbulhamento de gás ativo, normalmente cloro, adicionado por meio de pastilhas de hexacloretano ou por um tubo perfurado (cloro gasoso);
3 borbulhamento de gás neutro (Ar ou N2) através de tubo perfurado com ou sem plug poroso
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Os dois primeiros processos apresentam alta eficiência na remoção do hidrogênio dissolvido. Entretanto, apresentam como desvantagem, respectivamente, o custo do equipamento e a toxidez associada à corrosividade do gás cloro. Por muitos anos, o uso do gás cloro desenvolvido pelo mergulho de hexacloretano na forma de pastilhas foi o método mais comum de tratamento. Porém, em 1 de abril de 1998, seu uso foi proibido na Europa para produção e processamento de metais não ferrosos, sendo limitado seu uso para analises com propósito de pesquisa e desenvolvimento desde que seu consumo fosse inferior a 1,5 kg por dia (BROWN, 1999). O borbulhamento de gás neutro através de lanças de ponta porosa apresenta como vantagem o baixo custo do aparato, mas exige um tempo de tratamento superior, conforme ilustra o gráfico 8. No caso da utilização do nitrogênio, um cuidado especial deve ser tomado com a temperatura do banho, porque acima de 800ºC este começa a formar nitretos indesejáveis.
Gráfico 8: Redução do teor de hidrogênio dissolvido no banho com o tempo de desgaseificação.
Fonte: MOREIRA; FUOKO (2007)
Mais recentemente, com o entendimento das condições termodinâmicas e cinéticas que governam o processo de desgaseificação foi possível o desenvolvimento da injeção de gás inerte por meio de rotor de grafita. Neste processo, o gás é “fragmentado” pelo movimento rotativo do rotor gerando um número elevado de bolhas. Como a reação de desgaseificação depende, fundamentalmente, da área total das bolhas do gás, quanto maior a quantidade e menor o tamanho das bolhas, maior é a cinética de desgaseificação.
No esquema 1 pode se observar o modo de injeção de gás pelo sistema rotativo. O gás entra pela coluna do rotor e sai no fundo do banho através de aberturas na base
do rotor que gira em velocidades de 300 a 500 rpm. O esquema 2 mostra um típico sistema de desgaseificação rotativo utilizado na fabricação de produtos primários e laminados conhecido como SNIF (spinning nozzle inert flotation).
Esquema 1: Esquema de uma unidade de desgaseificação contínua (rotor).