CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DE LIGAS REOFUNDIDAS: COMPARAÇAO ENTRE OS MÉTODOS MANUAIS E COMPUTACIONAIS
Wang, S.I.1; Paes, M.2; Robert, M.H.3, Zoqui, E.J.4;
Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia de Fabricação, C.P. 6122, CEP: 13083-970, Campinas, SP, Brasil.
RESUMO: Com certeza, muitos problemas podem aparecer durante a caracterização macro e microestrutural de materiais reofundidos no que diz respeito ao tamanho de grão, tamanho de glóbulo, espaçamento interdendrítico e fator de forma. Este trabalho apresenta uma metodologia única para analisar estas propriedades com alta confiança. Para tanto, um manual básico é criado para auxiliar pesquisadores e alunos. A liga A356 nas condições fundida e reofundida (por agitação eletromagnética) foi analisada. Foram produzidos lingotes com 3kg num equipamento de lingotamento semi-contínuo e suas macro e microestruturas foram caracterizadas. Foram comparados procedimentos manuais (Método dos Interceptos de Heyn) e computacionais (Leica Quantimet 500). Com relação ao tamanho de grão e de glóbulo, o método manual mostrou melhor resultado. Quanto ao fator de forma, o software apresentou bons resultados e para o espaçamento interdendrítico, não foram observadas diferenças significativas.
Palavras-chave: reofundição, caracterização estrutural , ligas de alumínio
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ABSTRACT: Surely, a lot of problems can appear during a macro and microstructural characterization of rheocast materials in relation to grain size, globule size, inter-dendritic layer and shape factor measures. Thus, this work presents one proposal methodology to analyze these properties with high reliability. To this end, a basic manual is created to help researches and students. The alloy A356 in as cast and rheocast (produced by EMS) conditions were analyzed. The ingots with 3 kg were produced in a semi-continuous rheocaster and characterized their macro and microstructure. Leica Quantimet 500 software and manual procedures as Heyn Intercept Method were compared. In relation to grain size and globule size, the manual method showed best results. The shape factor analyze showed good results using the Leica Quantimet 500 software and inter-dendritic layer measures presents no difference among the procedures.
.
Keywords: rheocasting, structural caracterisation, aluminum alloys.
1 Aluna IC: 970837@apollo-11.fem.unicamp.br 2 Doutorando: marpaes@fem.unicamp.br 3
Prof. Colaborador: zoqui@fem.unicamp.br
1. Introdução
Muitos pesquisadores, com certeza já se depararam com diversos problemas durante a caracterização microestrutural de ligas metálicas, principalmente os profissionais ligados à área de reofundição. A reofundição é uma tecnologia emergente que tem como alvo a produção de materiais metálicos com estrutura mais homogênea do que nos materiais fundidos convencionalmente: estrutura globular ao invés de dendrítica. As ligas reofundidas possuem melhores propriedades mecânicas e exclusivas propriedades de escoamento, permitindo o processamento das mesmas no estado semisólido, justificando sua aplicação extensiva [1,2].
Este trabalho surge da necessidade de se conhecer o melhor método para analisar as variáveis desejadas, visto que, o método computacional além de apresentar alto desvio padrão, também mostra valores equivocados que jamais poderiam ter sido obtidos tendo em vista o processo metalúrgico utilizado para obtenção da amostras: lingotamento semicontínuo sob agitação eletromagnética.
Este método produz estruturas pré-reofundidas, ou seja, pouco globular (em comparação com outros métodos), porém, muito mais homogênea do que aquelas geradas em processos convencionais de fundição. Esta homogeneidade se deve à quebra intensa das dendritas que estão se formando dentro da lingoteira, podendo levar cada fragmento de dendrita à formação de um grão isolado envolto pelo eutético, formado por lamelas de alumínio e silício[3]. A grande dificuldade de se trabalhar com o software é que ele utiliza diferença de contrastes para se determinar tamanho de grão, fator de forma, teor de segunda fase e na região eutética, erros podem ocorrer devido à sua morfologia lamelar. Desta maneira, este trabalho destina-se a criar uma metodologia básica para este tipo de caracterização e informar qual método utilizar em função da variável que estiver sendo medida, em função da menor dispersão de valores, rapidez e confiabilidade dos resultados.
2. Materiais e Métodos
A liga A356 foi preparada através de lingotamento semi-contínuo sob agitação eletromagnética (lingotes de 3kg, com 600mm x 45mm de diâmetro). Foram utilizadas quatro potências de agitação: 0W (fundida), 600W, 900W e 1200W, com velocidade de lingotamento de 1cm/s e 3cm/s. A figura 1 [4], apresenta o esquema geral do equipamento.
Figura 1. Esquema geral do sistema de Lingotamento Semicontínuo [4].
Os lingotes foram seccionados em três posições, fundo, meio e topo, a fim de avaliar a morfologia da estrutura ao longo dos mesmos. As amostras foram atacadas quimicamente
com 15%CuCl2/H2O para as macroestruturas e com HF 0,5% para as microestruturas. Em
seguida, as amostras foram analisadas (tamanho de grão para macroestrutura e tamanho de glóbulo, fator de forma e espaçamento interdendrítico, para a microestrutura), utilizando o método dos interceptos de Heyn (método manual), ditado pela ASTM E112-95 e o software Leica Quantimet 500.
Os dados receberam tratamento estatístico (planejamento fatorial com dois fatores: duas variáveis de influência e quatro variáveis de resposta), e o grau de confiança foi estabelecido em 90% com sete réplicas (medições) em lugares aleatórios da amostra. A figura 2 ilustra como opera o software Leica Quantimet 500: o princípio é a diferença de contrastes, aonde a
cor verde é atribuída à fase rica em alumínio. A figura 2(a), mostra uma micrografia da liga A356 vista no microscópio ótico. A figura 2 (b) mostra a mesma região da amostra sob operação do Leica Quantimet 500, mostrando a diferença de contrastes. O software conta as regiões verdes como um grão, em termos de área e perímetro. Em função disso calcula o fator de forma.
(a) (b)
Figura 2. Ilustração de operação do software Leica Quantimet 500.
A figura 3(a) ilustra o método dos interceptos de Heyn, onde são contados o número de interseções das linhas com os contornos. Como as linhas têm comprimento conhecido, pode-se determinar o tamanho de grão com facilidade. A figura 3(b) aprepode-senta o método de contagem de pontos. A grade é colocada sobre a amostra e são contados os números de pontos que tocam as arestas dos quadrados. Com este dado são calculadas as porcentagens de fases em função do número total de pontos.
(a) (b)
Figura 3. Ilustração de métodos manuais de medição: (a) Método dos Interceptos de Heyn e (b) Método de Contagem de Pontos.
A diferença entre os métodos é que o software Leica Quantimet 500, não reconhece os nuances (mistura da fase primária e do silício presente no eutético), reconhecendo somente o Si como segunda fase. A contagem de pontos é mais precisa ao reconhecer o eutético.
3. Resultados e Discussões
3.1. Tamanho de grão:
Esta análise envolveu ambos os métodos: O método computacional, através do uso do software se demonstrou inviável. O software tem problemas em identificar contorno devido à pobreza de contrastes (tonalidade e coloração) dos grãos, gerada pelo ataque químico. O método dos interceptos de Heyn, apesar do desvio padrão relativamente alto, apresenta resultados melhores. A tabela 1 apresenta os valores de tamanho de grão em função da potência de agitação e da velocidade de lingotamento.
Estatisticamente, não foi obtida diferença significativa entre as velocidades de lingotamento para o tamanho de grão. Assim sendo, serão apresentados somente os resultados obtidos com o lingotamento executado à 1cm/s.
Tabela 1. Tamanho de grão em (mm) medidos pelo método dos Interceptos de Heyn.
Potência Velocidade de Lingotamento = 1cm/s
(Watts) Fundo Meio Topo
0 1,38 ± 0,50 1,34 ± 0,50 1,39 ± 0,55
600 1,20 ± 0,43 0,44 ± 0,11 0,44 ± 0,06
900 0,97 ± 0,43 0,29 ± 0,11 0,25 ± 0,05
1200 0,93 ± 0,38 0,17 ± 0,04 0,12 ± 0,02
Observa-se uma queda no tamanho de grão com o aumento da potência, isso ocorre, devido à ação cisalhante imposta pela agitação que quebra os núcleos dendríticos sólidos em formação, carregando-os para o centro do lingote em solidificação. Maior número de núcleos produz uma estrutura com menor tamanho de grão. Além disso, uma queda no desvio-padrão é observada com aumento da potência e em direção ao topo do lingote. Isto pode ser explicado pelo fato de que existe uma menor massa a ser agitada, pois a base do lingote já está solidificada, e o efeito da agitação eletromagnética se torna mais pronunciado. Esse efeito pode ser melhor visualizado na figura 4.
Figura 4. Tamanho de grão versus potência.
3.2. Espaçamento interdendrítico:
O espaçamento interdendrítico secundário foi medido em amostras fundidas (fundo, meio e topo) a fim de comparar com as medidas de tamanho de glóbulo nas amostras reofundidas. Pelo método computacional são traçadas linhas mestras sobre um determinado número de dendritas e o software fornece o valor de distância entre os braços. No entanto, este método apresenta um valor de desvio-padrão um pouco maior do que o método manual. Pelo método manual, método dos interceptos de Heyn, obteve-se uma baixa dispersão de valores. A tabela 2 mostra os resultados.
Tabela 2. Espaçamento interdendrítico secundário (µm) medido por ambos os métodos, em amostras fundidas.
Posição V = 1cm/s V = 3cm/s
Manual Computacional Manual Computacional
Fundo 67,42±8,57 68,53±9,01 67,02±5,33 68,07±11,40
Meio 73,34±5,33 72,00±8,47 66,29±5,30 65,54±10,84
Topo 75,44±10,34 73,40±10,51 68,46±6,19 75,33±6,82
Estatisticamente, o espaçamento secundário se mostrou bastante influenciado pela velocidade de lingotamento. Na velocidade de 3cm/s, as amostras de meio e topo apresentaram espaçamentos menores do que em 1cm/s devido à taxa de resfriamento que é maior a 3cm/s assim, não há tempo suficiente para agirem fenômenos de engrossamento e coalescimento e aumentar o espaçamento interdendrítico secundário. A figura 5 apresenta os valores de espaçamento interdendrítico em função dos métodos utilizados.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Velocidade de lingotamento de 1cm/s T a m an ho de gr ão ( m m ) Potência (W) Fundo Meio Topo
1 2 3 50 55 60 65 70 75 E spaç am ent o In te rd endr ític o S ec undár io ( m ic ro ns ) Topo Meio Fundo v=1cm/s Manual v=1cm/s Computacional v=3cm/s Manual v=3cm/s Computacional
Figura 5. Métodos comparativos na determinação de espaçamento interdendrítico secundário.
É possível observar uma disparidade entre as velocidades de lingotamento que foram comprovados estatisticamente. Além disso, é possível observar que os valores médios são muito próximos um do outro. O único problema neste caso é o maior desvio padrão apresentado pelo método computacional.
3.3. Tamanho de glóbulo:
Da-se o nome de tamanho de glóbulo, às partículas primárias ricas em alumínio (fase α),
que não são necessariamente glóbulos perfeitos.
a) Método Computacional: apresenta uma disparidade muito alta em relação ao método manual, além de apresentar um desvio padrão muito alto, superando até em alguns casos o próprio valor absoluto. O motivo pela qual isso ocorre está ilustrado na figura 2. O software conta as lamelas de alumínio no eutético como sendo um glóbulo. Devido a isto, o valor do tamanho de glóbulo se apresenta menor do que no método manual.
b) Método dos Interceptos de Heyn: foi o que apresentou melhores resultados. Aceitável desvio-padrão, porém trata-se de um processo trabalhoso.
A tabela 3 apresenta os valores médios de tamanho de glóbulo obtido, para estruturas reofundidas. Observa-se que o tamanho de glóbulo tende a diminuir em direção ao topo com o aumento da potência de agitação, pelos mesmos motivos exemplificados para o tamanho de grão. Não houve influência da velocidade de lingotamento. A figura 6 ilustra melhor a disparidade entre os resultados manuais e computacionais.
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 T am a nh o de G ló bu lo (m ic ro ns ) Potência (W) Manual Computacional
Figura 6. Tamanho de glóbulo: comparação dos métodos.
Tabela 3. Tamanho de glóbulo (µm)medido por ambos os métodos em amostras reofundidas
na posição do topo do lingote.
Potência V = 1cm/s (W) Manual Computacional 600 86,10±13,10 17,03±29,54 900 78,14±9,43 18,16±29,01 1200 75,12±7,55 16,84±20,12 3.4. Fator de forma:
O fator de forma é muito importante na caracterização de reofundidos, pois ele indica o grau de esfericidade das partículas primárias e conseqüentemente, as características de escoamento (reologia) do material durante o processamento. O método utilizado consiste em determinar a relação entre perímetro e área da fase primária:
α α α π A P F 4 = (1)
Desta maneira, quanto mais próximo de 1, mais globular é a estrutura.
a) Método Computacional: comparando-se com outros trabalhos de pesquisadores, os resultados tem sido coerentes, mostrando-se como um método eficiente e acurado. Seu princípio é o mesmo que descrito anteriormente.
b) Método Manual: inválido. Manualmente o método seria extremamente impreciso, além de moroso, por isso, realiza-se somente contagens computacionais que apresentam bons resultados.
A tabela 4 apresenta os resultados obtidos de fator de forma em função da potência de agitação. Observa-se que o fator de forma tende a diminuir com o aumento da potência, devido à ação da agitação.
Tabela 4. Fator de forma medido pelo método computacional.
Potência V = 1cm/s
(W) Fundo Meio Topo
0 >10 >10 >10
600 >10 1,79±0,65 1,73±0,59
900 >10 1,73±0,57 1,74±0,59
1200 >10 1,68±0,51 1,69±0,52
As amostras obtidas a 0W, ou seja, fundidas convencionalmente, apresentaram estruturas dendríticas com fator de forma maior que 10. O mesmo aconteceu com as amostras do fundo do lingote que devido à alta pressão metalostática, não é tão influenciada pela agitação como no meio e no topo. A figura 7 apresenta a evolução do fator de forma em função da potência de agitação. Os resultados foram bastante satisfatórios em comparação com outros encontrados na literatura[6]. 600 800 1000 1200 1400 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 F ato r de for m a Potência (W) Meio do lingote v=1cm/s Topo do lingote v=1cm/s
Figura 7. Fator de forma versus potência.
IV) Conclusões
Simplificar ou facilitar a vida de pesquisadores de reofundição é, em essência, o objetivo deste trabalho. Métodos computacionais são sempre preferidos pelo fato de reduzirem o tempo de análise. Porém, nem sempre o computador fornece resultados confiáveis, principalmente quando está em jogo a sensibilidade do olho humano em distinguir tonalidades
e observar e compreender diferenças entre diferentes tipos de estruturas. Métodos manuais, embora exijam tempo, paciência e atenção, ainda são utilizados, por serem mais confiáveis que os computacionais. Este projeto visou analisar qual procedimento seria mais adequado para cada tipo de situação envolvendo as ligas de alumínio reofundidas.
No caso de macroestruturas: é recomendável calcular o tamanho de grão através do método manual dos interceptos de Heyn. É inviável uma rotina computadorizada sem um alto contraste entre grãos.
Para as microestruturas: espaçamento interdendrítico mostrou bons resultados tanto pelo método manual de Heyn quanto pela rotina computadorizada. O tamanho de glóbulo mostrou-se pouco acurado pela rotina. O método de Heyn continua mostrou-sendo o mais propício, pois retorna resultados confiáveis. Quanto ao fator de forma, não foi encontrado nada na literatura que substitua a análise computacional. Um trabalho manual tornaria o processo muito lento e sem precisão.
O manual de auxílio está disponível na página www.fem.unicamp.br/~marpaes.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP (Projeto 1998/11608-8) e à CAPES pelo apoio financeiro.
V) Referências bibliográficas
[1] D.B.Spencer, R. Mehrabian, M.C. Flemings, Met.Trans., vol.3, (1972), p.1925-1932. [2] B.Brown, M.C.Flemings, Advanced Materials & Processes, vol. 1, (1993), p. 36-40. [3] M. Paes, Dissertação de mestrado, DEF/FEM/UNICAMP, 2000.
[4] J.E.G. Santos, Dissertação de mestrado, DEF/FEM/ÚNICAMP, 2000. [5] W.R.Loué, M. Suéry, Mat. Science and Eng., vol. 203, (1995).
