Por infiltração de pré-formas

Nesses processos, o reforço é arranjado em pré-formas porosas que são infiltradas com metal líquido. A pré-forma pode ser homogênea ou apresentar camadas diferentes. No último caso, mudanças abruptas nas frações volumétricas ou na geometria dos reforços pode gerar concentrações de tensão – portanto, é desejável que a transição entre camadas seja gradual. A

infiltração pode ser por gravidade, sob pressão ou a vácuo. Alguns parâmetros nesse tipo de processo são críticos: tempo de processo, temperatura de trabalho, atmosfera do processo, composição da matriz, forma e tamanho dos reforços, porosidade da pré-forma. No caso de pré-formas cerâmicas, a porosidade da pré-forma é o fator de maior influência na qualidade do produto, seguida, em importância, da temperatura de processo e do tamanho de partícula (PARRAS-MEDÉCIGO et al).

A baixa molhabiliade de cerâmicas em geral por metais líquidos é um problema nos processos de infiltração de pré-formas, pois traz como consequência a nucleação de porosidades na interface. A formação de camadas de óxido entre matriz e reforço ou reações químicas entre eles também podem modificar as propriedades do compósito. Possíveis soluções são realizar tratamentos térmicos na pré-forma, aplicar-lhe uma cobertura, ou realizar o processo de infiltração a vácuo ou em atmosfera inerte (SINGH et al, 2014).

Infiltração sob pressão de gás

Na infiltração sob pressão de gás, o metal líquido infiltra uma pré-forma porosa sob pressão; essa pressão é exercida por um gás inerte em contato com o metal líquido. Esse processo geralmente é realizado dentro de um vaso de pressão e apresenta duas variações, onde (KAINER, 2006):

 A pré-forma é aquecida e imersa no metal líquido. A pressão é aplicada sobre a superfície do metal líquido para forçar a sua infiltração na pré-forma. A pressão empregada é função da molhabilidade e da permeabilidade da pré-forma em relação ao metal, que são função da natureza e do volume de reforço, respectivamente (KAINER, 2006).

 Um gradiente de pressão é aplicado através da pré-forma, de forma que o metal líquido, ao escoar para a região de menor pressão, se infiltre na pré-forma. A Figura 2.1 esquematiza aparato para a fabricação de compósito a partir dessa técnica (KAINER, 2006).

Figura 2.1: Esquema de aparato para a fabricação de compósito a partir da técnica de infiltração sob pressão de gás. Adaptado de Kainer (2006).

Este processo resulta em partes com pouca porosidade. Além disso, os tempos de reação são menores que nos processos de adição e mistura de partículas no metal líquido convencionais, ainda assim, os tempos de processo são mais longos que na fundição sob pressão. Isso permite o uso de materiais de reforço mais reativos que no primeiro tipo de processo. (KAINER, 2006).

Infiltração sob pressão (Squeeze casting)

Quando a solidificação ocorre sob pressão, a contração do material é minimizada, e, consequentemente, a formação de rechupes e vazios de contração. A tendência é a formação de estruturas refinadas e equiaxiais. Gases dissolvidos no líquido têm sua solubilidade aumentada sob pressão e tendem a permanecer em solução até o fim da solidificação, eliminando inclusões de gás. A aplicação de pressão também estimula o preenchimento de vazios e desloca a Tliquidus para cima, aumentando o super-resfriamento e, consequentemente, o refino de grão. Além disso, as taxas de resfriamento na fundição sob pressão são maiores que na fundição convencional, onde um vazio é formado entre a parede do molde, que expande quando aquecida, e a superfície externa do metal, que contrai

conforme resfria. Esse vazio é eliminado sob a aplicação de pressão, melhorando a transferência de calor entre a parede do molde e o metal aumentando a taxa de resfriamento. O resfriamento rápido minimiza reações entre a matriz e o reforço, o que aumenta o número de combinações possíveis (SINGH et al, 2014; SUKUMARAN et al, 2008; KAINER, 2006)

De acordo com Kainer (2006), esse processo têm duas variantes: uma “indireta” e uma “direta”, ambas ilustradas de forma esquemática na Figura 2.2. Na variante “indireta”, os reforços são previamente posicionados no molde, que é então preenchido com metal líquido. O metal fundido corre por um sistema de canais e então é injetado em uma cavidade. O fluxo deve ser laminar para evitar a presença de bolhas e geralmente os óxidos superficiais ficam retidos na entrada da cavidade. Para evitar que a pré-forma seja danificada, geralmente a infiltração ocorre sob uma pressão menor que a de solidificação. Na variante “direta” do processo, a pré-forma e o metal ainda sólido são postos no mesmo molde; o metal é fundido no próprio molde e a pressão para infiltrar a pré-forma é aplicada sobre o metal líquido. Esse processo tem a vantagem de utilizar moldes mais simples, mas requer que o metal seja adicionado na quantidade exata e óxidos superficiais formados durante a adição do metal são geralmente encontrados no produto final.

Sukumaran et al (2008) fabricaram compósitos Al2124 / SiCp misturando partículas no metal líquido e em seguida deram forma ao material utilizando moldes pré-aquecidos em fundição sob pressão. Eles observaram que conforme a pressão aplicada durante a solidificação foi aumentada de 0 a 100 MPa, a contração de solidificação e a presença de inclusões de gás foram diminuídas, a estrutura do produto foi refinada, o espaçamento entre os braços dendríticos diminuiu e a distribuição das partículas de SiCp tornou-se mais homogênea. Além disso, eles observaram que, quando o compósito era resfriado lentamente, as partículas de reforço eram rejeitadas na frente de solidificação e segregadas na região interdendrítica. Já a altas taxas de resfriamento, o tempo era insuficiente para que ocorresse a segregação das partículas, que ficavam presas entre os braços dendríticos.

(a) _(b)

Figura 2. 2: Esquema ilustrativo dos processos de fundição sob pressão a) “diretos” e b) “indiretos”. Adaptado de Kainer (2006).