A partir do metal no estado semissólido

Na tecnologia de semissólidos, há dois tipos principais de processos: reofundição e tixoconformação.

A reofundição envolve aquecer uma liga metálica até o estado líquido e então, por meio do controle de sua nucleação ou de sua solidificação, promover a formação de uma estrutura globular no estado semissólido – onde a fase sólida do material assume o formato de glóbulos ou dendritas aproximadamente equiaxiais, envoltos na fase líquida dessa mesma liga. A existência desse tipo de estrutura somente é possível entre as Tsolidus e Tliquidus de uma liga metálica. O semissólido assim obtido é imediatamente empregado em um processo de conformação objetivando a obtenção de um produto acabado ou semi-acabado.

A tixoconformação envolve essas mesmas etapas, com a diferença que o material de estrutura globular, após a sua obtenção, é solidificado e depois reaquecido ao estado semissólido (isto é, a uma temperatura entre temperaturas Tliquidus e Tsolidus), e então

conformado para a obtenção de um produto. Materiais encruados, como barras extrudadas, podem ser utilizados como matérias primas para processos de tixoconformação como o RAP, SIMA ou OAT - geralmente no aquecimento até o estado semissólido, os grãos desses materiais sofrem recristalização, gerando grãos finos e equiaxiais.

Alguns exemplos do emprego da tecnologia de semissólidos na fabricação de CMMs reforçados com partículas foram selecionados da literatura e são apresentados a seguir. A maioria dos processos utilizados é derivada dos processos tradicionais que utilizam metal no estado líquido.

2.1.3.1 Por reofundição

Por adição direta no semissólido e agitação

Estes processos são similares aos de adição de partículas diretamente no líquido e agitação, com a vantagem de possibilitar a obtenção de produtos mais homogêneos. As partículas da fase sólida, em movimento no líquido, retêm as partículas de reforço, dificultando sua decantação ou sua flutuação até a superfície, além de separar aglomerados. Uma desvantagem é que o tamanho de glóbulo obtido nesse tipo de processo geralmente é maior que a espessura dos braços dendríticos obtidos por um processo semelhante por adição de partículas de reforço no líquido (NAHER et al, 2004; KHOSRAVI et al, 2014).

De maneira resumida, este processo é feito da seguinte forma: A matéria prima é aquecida até uma temperatura dentro de seu intervalo de solidificação (geralmente até atingir uma fração líquida acima de 0,50), à determinada temperatura, as partículas são adicionadas ao metal semissólido e a mistura é agitada – essa agitação pode ser mecânica, por meio de um rotor, ou eletromagnética, no caso do procedimento ser realizado em forno de indução (NAHER et al, 2004; KHOSRAVI et al, 2014).

Alternativamente, a matriz pode ser aquecida até o estado líquido e depois resfriada a uma temperatura entre Tliquidus e Tsolidus - sob agitação contínua ou somente a temperatura de trabalho. Neste caso, a agitação promove a multiplicação cristalina; as dendritas em crescimento no semissólido têm suas ramificações quebradas por cisalhamento, essas ramificações soltas no líquido geram novos grãos. A formação de novos grãos é proporcional à taxa de cisalhamento, portanto, o tamanho de grão tende a diminuir conforme a velocidade de agitação aumenta (NAHER et al, 2004; KHOSRAVI et al, 2014).

De forma geral, quanto maior a velocidade de agitação, mais eficiente a quebra de aglomerados de partículas e menor a viscosidade do semissólido. O volume de partículas adicionadas também influi na viscosidade do semissólido; em geral, acréscimos no volume de partículas correspondem a um aumento na viscosidade. Quanto ao tempo de agitação, seu aumento tende a promover uma melhor distribuição do reforço, mas também o crescimento de grão. (NAHER et al, 2004; KHOSRAVI et al, 2014).

Figura 2. 8: Desenho esquemático de um equipamento de produção de compósitos por injeção de partículas. Adaptado de Amirkhanlou e Niroumand (2012).

A injeção de partículas no metal semissólido é uma variante desse processo, onde as partículas são injetadas sob pressão no metal líquido em agitação. Em seguida, o metal é resfriado, ainda sob agitação, até o estado semissólido e vazado em um molde. A Figura 2.8 esquematiza aparato utilizado nesse processo. Devida à baixa molhabilidade das cerâmicas pelos metais, é comum a presença de uma camada de gás em torno das partículas. Amirkhanlou e Niroumand (2012) solucionaram esse problema misturando pó de alumínio às partículas de SiCp que eles utilizaram como reforço. As partículas de SiCp eram muito menores que as partículas de Al e aderiram a sua superfície, formando um pó compósito. Quando esse pó compósito foi injetado no alumínio líquido, o pó de alumínio fundiu, liberando as partículas de SiC, que assim foram mais facilmente assimiladas.

2.1.3.2 Processos de Tixoconformação

Infiltração de semissólido em camadas de partículas de reforço

Este processo consiste em infiltrar metal semissólido em camadas de partículas de reforço, obtendo compósitos homogêneos ou do tipo layered. A matéria-prima para a matriz pode ser na forma de chapas ou discos, provenientes de processos anteriores de conformação no estado sólido, ou de cavacos de usinagem. Neste processo, a matéria-prima - o metal e as partículas de reforço - é arranjada no interior de uma matriz, onde é aquecida. A Figura 2.9 mostra diversos arranjos possíveis das matérias primas para a matriz e para o reforço. Quando matriz e reforço são aquecidos até a temperatura de trabalho, a matriz torna-se semissólida e, após certo tempo a essa temperatura, a fase líquida se estabiliza na fração prevista para a temperatura de trabalho. Então, pressão é aplicada sobre o metal semissólido, de forma a forçar seu escoamento entre as camadas de partículas de reforço. O movimento do metal semissólido também pode ter o efeito de misturar as partículas de reforço em sua fase líquida.

Figura 2. 9: Esquemas de diferentes disposições das matérias-primas em testes de tixoconformação realizados por Robert et al (2013): (a) mistura compactada de cavacos de

alumínio e SiCp; (b) várias camadas de chapas de alumínio e SiCp; (c) camada espessa de SiCp sobreposta de uma chapa de alumínio; (d) camada fina de SiCp sobre uma placa de alumínio (e) camada de SiCp entre duas chapas de alumínio. Extraído de Robert et al (2013).

Um exemplo de aplicação pode ser encontrado no trabalho de Robert et al (2013), que obtiveram compósitos de baixa densidade através deste processo. Eles utilizaram chapas de liga de alumínio AA7075-T6, partículas de SiC de 20 a 30 µm e de argila expandida de 1 a 3 mm. Os compósitos apresentaram menor porosidade que produtos semelhantes fabricados por metalurgia do pó e uma ligeira textura na direção de infiltração, isto é, na direção de aplicação de pressão.

Processamento de pós no estado semissólido

O processo consiste em misturar pós metálicos e partículas de reforço, compactá-los, aquecê-los até que os pós metálicos atinjam o estado semissólido e comprimi-los em um molde, para que formem uma peça densa (WU; KIM, 2015). Alternativamente, matriz e reforços podem ser misturados por moagem de alta antes de serem compactados (OZDEMIR et al, 2011).

Ozdemir et al (2011) compararam compósitos de AA 2017 / Al2O3p e AA 2017 / SiCp

fabricados por esse método. Eles observaram que a mistura de matriz e reforço por moagem de alta energia resulta em uma distribuição de reforço mais homogênea e melhor adesão das partículas à matriz. A pressão aplicada durante a solidificação promoveu o rearranjamento das partículas de reforço e do líquido em torno dos glóbulos sólidos, preenchendo vazios e assim reduzindo a porosidade. Além disso, a solidificação sob pressão tem o efeito de aumentar a taxa de resfriamento por meio da promoção de melhor contato do metal com a parede do molde. Maiores taxas de resfriamento, por sua vez, implicam redução do crescimento de grão e da decantação de partículas. Por outro lado, a presença de aglomerados de partículas aumentou com a fração líquida e o volume de reforço empregado. Compósitos reforçados com partículas grosseiras apresentaram danos nas partículas, porosidade e bandas de óxido na interface entre reforço e matriz. Diferentemente, nos compósitos reforçados com partículas finas, foram observadas uma estrutura refinada e homogênea e baixa porosidade.

Wu e Kim (2015) estudaram o comportamento em compressão de misturas de pó da liga de alumínio AA 6061, em estado semissólido, e partículas de SiC. Eles observaram que para menores frações de SiCp, as partículas cerâmicas e a fase sólida se rearranjavam dentro da matriz com a aplicação de pressão, e a fase líquida agia como lubrificante. Para teores intermediários de SiCp, a deformação dos glóbulos do metal semissólido era a forma predominante de acomodação da tensão de compactação. Neste caso, quanto maior a temperatura de compactação, maior o amolecimento dos glóbulos e, consequentemente, menor a pressão de início do processo de deformação plástica. Com o aumento da fração de SiCp acima de um valor crítico, a pressão necessária para densificar os compósitos aumentou, pois aumentou a pressão necessária para que a fase líquida preenchesse o espaço entre as partículas, que mostraram maior tendência a se aglomerar quando em maior volume. Além disso, os autores observaram que o aumento da fração líquida contribuía para um aumento da

densidade dos compósitos apenas para valores até 0,5 – frações líquidas maiores resultavam em compósitos menos densos, pois, quando pressão era aplicada, o líquido escoava entre as partículas e fase sólidas e escapava da matriz.