Morfologia da fase sólida

A matéria-prima ideal para o processo de tixoconformação é composta por uma liga metálica que possua fração volumétrica apropriada de fase sólida, que deve se apresentar refinada e globularizada, bem como distribuída uniformemente em matriz de fase líquida (FAN,

2002). A necessidade da globularização da fase sólida justifica-se pela influência que a morfologia da fase sólida exerce sobre o comportamento de deformação no estado semissólido (FLEMINGS, 1991). Estudos demonstraram que uma pasta metálica, cuja fase sólida é formada por estruturas dendríticas, exibe viscosidade várias ordens de grandeza maior que a viscosidade exibida por outra de mesma fração líquida, formada por estruturas equiaxiais (LASHKARI e GHOMASHCHI, 2006). De fato, durante a aplicação de uma força externa, as partículas globulares se deslocam mais facilmente entre si, enquanto que as estruturas dendríticas tendem a se emaranhar uma nas outras, desenvolvendo maior resistência à deformação (SPENCER, MEHRABIAN e FLEMINGS, 1972; BRABAZON, BROWNE e CARR, 2002).

A matéria-prima com as características citadas pode ser obtida a partir da liga fundida, por meio de solidificação sob condições específicas ou a partir da fase sólida, mediante a aplicação de intensa deformação plástica seguida de tratamento de recristalização (FAN, 2002). A agitação mecânica é um exemplo de rota de produção que é realizada a partir da liga fundida. Essa tecnologia foi desenvolvida no Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) nos primeiros estágios de desenvolvimento do processamento no estado semissólido. Nessa técnica, a liga metálica é fundida e submetida à intensa agitação mecânica. O cisalhamento produzido pela agitação durante a solidificação promove a formação da estrutura não dendrítica (FLEMINGS, RIEK, e YOUNG, 1976). Vale mencionar que essa técnica apresenta diversos problemas relacionados à contaminação, a qual é gerada pela oxidação e reação química do metal líquido com o sistema de agitação. Com o objetivo de superar os problemas relacionados à agitação mecânica, foi desenvolvida alternativa envolvendo aplicação de campos eletromagnéticos. Nessa técnica, a agitação é gerada por campos eletromagnéticos rotativos em molde de lingotamento contínuo, de forma que torna-se possível a produção de lingotes com estruturas não dendríticas e livres de contaminações provenientes do agitador (KENNEY et al., 1988). A agitação eletromagnética é considerada a técnica mais difundida de produção de matéria-prima para o processamento de metal semissólido (FAN, 2002).

Nos últimos anos, vários mecanismos foram propostos por diversos pesquisadores com o intuito de explicar o processo de formação das estruturas globulares durante a solidificação sob agitação (MOHAMMED, 2013). Dentre esses mecanismos, pode-se citar:

 Fragmentação dos braços dendríticos em consequência de forças aplicadas por correntes cisalhantes (GARABEDIAN e STRICKLAND-CONSTABLE, 1974).

 Refusão de raízes de braços dendríticos por meio do acúmulo de soluto (ripening) (KATTAMIS, COUGHLIN e FLEMINGS, 1967).

 Recristalização como resultado das deformações dos braços dendríticos provocadas pelas correntes cisalhantes. Nesse caso, o líquido penetra nos contornos dos novos grãos promovendo a sua separação da dendrita (VOGEL, DOHERTY e CANTOR, 1979).

 Mecanismo de crescimento controlado pelo escoamento do líquido. Enquanto que o escoamento laminar atua no crescimento da dendrita, transformando-a em roseta, o escoamento turbulento atua no crescimento da roseta, transformando-a em glóbulo (DAS, JI e FAN, 2002; JI, S.; FAN, 2002).

 Escoamento turbulento que promove o refinamento da estrutura por meio do mecanismo de nucleação múltipla (JI, S.; FAN, 2002).

Entretanto, ainda não foi proposto um mecanismo que esclarecesse com precisão a transformação de dendritas em estrutura refinada com morfologia globular (ATKINSON, 2010; MOHAMMED, 2013). Uma vez que esses mecanismos não se contradizem, há a possibilidade de que todos eles ocorram conjuntamente. É valido afirmar que a matéria-prima, com grãos apresentando qualquer morfologia, quando conduzida ao estado semissólido, tende a se globularizar após a aplicação de tratamento isotérmico prolongado. Tal fenômeno decorre da tendência da fase sólida em reduzir sua área superficial com a finalidade de desenvolver estado mais estável e de menor energia livre (FAN, 2002). A figura 2.11 exibe diagrama esquemático que mostra transformações ocorridas na formação das estruturas finas e globulares por meio dos mecanismos defendidos por Flemings (1991).

A intensa agitação da pasta metálica no início do processo de solidificação promove o descolamento de braços dendríticos recém-formados e a consequente geração de novos núcleos de crescimento (figura 2.11a). O crescimento de cada fragmento de dendrita continua dendriticamente (figura 2.11b). Com a contínua agitação do metal semissólido durante a sua solidificação, a morfologia dendrítica transforma-se em roseta, em consequência da tendência de redução da energia livre superficial, do cisalhamento e do atrito com outros grãos (figura 2.11c, d). Mediante baixa taxa de resfriamento e alta taxa de cisalhamento, as partículas tendem a desenvolver morfologia globular (figura 2.11e) (FLEMINGS, 1991).

Figura 2.11 Diagrama esquemático da evolução da estrutura durante a solidificação submetida a intensa agitação (FLEMINGS, 1991).

As principais rotas de produção de matéria-prima para o processamento semissólido que partem da fase sólida referem-se às técnicas SIMA (Stress-Induced and Melt-Activated

Process) e RAP (Recrystallization and Partial Melting) (ATKINSON, 2010). Na técnica SIMA, o lingote deformado a quente e resfriado rapidamente, é submetido a trabalho a frio para que sejam induzidas tensões plásticas residuais em sua estrutura. Em seguida, esse lingote é reaquecido ao estado semissólido para que então as partículas possam ser globularizadas (FAN, 2002). A técnica RAP (figura 2.12a) é semelhante à técnica SIMA (figura 2.12 b), diferenciando-se no método utilizado em sua primeira deformação, que no caso da RAP, ocorre abaixo da temperatura de recristalização (MOHAMMED, 2013).

Os processos de produção das matérias primas a partir da fase sólida são também chamados de processos termomecâncos. Eles são baseados no entendimento científico de que contornos de grãos de alto ângulo, que foram induzidos pela deformação plástica são recristalizados e quando molhados pelo metal líquido na temperatura do semissólido, resultam no desenvolvimento de fina e globularizada estrutura (HIRT e KOPP, 2009). Tais técnicas são indicadas para a fabricação de insumos metálicos que possuem elevado ponto de fusão (FAN, 2002).

Figura 2.12 Ilustração esquemática dos estágios dos processos SIMA (a) e RAP (b) (MOHAMMED, 2013).

Além das rotas descritas, existem outras alternativas para a produção dessas matérias primas, tais como o refinamento químico dos grãos, a vibração ultrassônica, processo Osprey, processo New Reocasting (NRC), New MIT, Direct Thermal Method (DTM) e entre outras (FAN, 2002; Mohammed, 2013). Dentre as rotas de produção de insumos metálicos para o processamento semissólido atualmente disponíveis, Mohammed (2013) classificou a agitação eletromagnética como sendo a técnica mais eficiente, pois quando comparada com as demais técnicas, verifica-se que ela possui melhor relação entre os parâmetros de capacidade de

produção e qualidade das estruturas globulares e assim, é considerada a mais apropriada para aplicações industriais.

Dados os problemas relacionados ao processamento do Ti em seu estado líquido, como sua alta reatividade e elevado ponto de fusão, conclui-se que as rotas mais adequadas para produção de matéria-prima para tixoconformação são as termomecânicas.