ANÁLISE MICROESTRUTURAL DA LIGA A2011 TIXOFORJADA EM MATRIZES REFRATÁRIAS A BASE DE AREIA RESUMO:

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ANÁLISE MICROESTRUTURAL DA LIGA A2011 TIXOFORJADA

EM MATRIZES REFRATÁRIAS A BASE DE AREIA

W. Pella Jr, M. H. Robert,

DEF – FEM – UNICAMP, Campinas, 13083-970, SP, BRASIL wpella@fem.unicamp.br

Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas.

RESUMO:

Palavras-chaves: Alumínio, microestrutura, tixoforjamento, matrizes.

No tixoforjamento, baixas tensões mecânicas são aplicadas quando comparadas com forjamento convencional, possibilitado pela espec ial condição da matéria prima, condição esta relacionada com a constituição do material: sólidos globulares e líquido, característica de reofundidos. Investigações mostram que ligas de Al Cu reofundidas apresentam, quando forjadas no estado semi -sólido, comportamento de escoamento tixotrópico e requerem forças significativamente reduzidas na conformação, quando comparados com forjamento de sólidos. A partir do estado semi -sólido podem ser produzidas geometrias complexas em somente uma operação de conformação. As reduzidas tensões requeridas na tixoconformação podem permitir a utilização de moldes de menor resistência mecânica, como os refratários, o que pode representar um significativo avanço na indústria de forjados, no que se refere aos custos e na redução do nível de energia operacional. Este trabalho apresenta resultados de forjamento da liga A2011 no estado semi -sólido, em matrizes refratárias a base de areia silicosa aglomerada com cimento, em termos da estrutura do produto obtido. Os resultados mostram a possibilidade de obtenção de produtos tixoforjados de qualidade geral aceitável neste tipo de matriz. O produto tixoforjado apresenta estrutura equiaxial fina em toda a seção; e heterogeneidade de distribuição de fases primária e secundária na direção do fluxo do material na cavidade da matriz, devido à segregação da fase líquida durante a conformação.

INTRODUÇÃO:

O comportamento reológico de pastas reofundidas torna a sua utilização interessante em qualquer processo que envolva a aplicação de tensões, quer seja a conformação por fundição quer seja conformação por processos mecânicos como forjamento, extrusão ou injeção. O processamento semi-sólido compete com ambos os grupos tradicionais de conformação, os que utilizam a matéria prima no estado líquido e aqueles que utilizam a matéria prima no estado sólido, devido a dois principais fatores: requer menores forças para a conformação quando comparado com o processamento de metais sólidos e requer menores temperaturas quando comparado com processamento de metais líquidos.

Importantes vantagens tecnológicas no processamento de semi- sólidos podem ser citadas, uma das mais importantes é o preenchimento não turbulento dos moldes, resultado da alta e controlável viscosidade do material reofundido (1). Esta característica, além de permitir o uso de ferramental termomecanicamente adequado, elimina a inclusão de bolhas de ar ou gases na peça, problema comum no processamento convencional com líquido, resultando em peças de alta integridade e de propriedades mecânicas superiores.

Rovira (2) mostrou que produtos tixoforjados de boa qualidade podem ser produzidos com pressões aplicadas significativamente inferiores às requeridas no forjamento sólido convencional. Seus resultados mostraram que dada a elevada fluidez de pastas reofundidas, produtos com geometrias mais complexas podem ser fabricados em uma só operação de forjamento.

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As significativas reduções de pressões envolvidas, aliadas à possibilidade de simplificação da geometria das matrizes, por exemplo, levantam a possibilidade de conformação com matrizes de menor resistência mecânica, de maior resistência térmica, de confecção simples e de baixo custo, utilizando-se materiais refratários como areia silicosa com diferentes aglomerantes e revestimentos de alumina (3). No entanto, como ainda não se conhece o efeito do uso e matrizes não metálicas sobre a microestrutura do produto tixoforjado, o presente trabalho visa a investigação destes efeitos. PROCEDIMENTOS EXPERIMETAIS:

Utilizando-se matrizes refratárias, conforme ilustração da Figura 1, construídas com areia silicosa aglomerada com cimento e com revestimentos a base de alumina, uma prensa hidráulica com força máxima de 300 kN e velocidade de avanço de 2,5 mm/s, dois fornos resistivos, um módulo de aquisição de dados acoplado a uma célula de carga e termopares do tipo K para o monitoramento das forças e das temperaturas, obteve- se produtos tixoforjados da liga A2011.

Figura 1- Ilustração: a) punção refratário; b) matriz refratária.

As condições de tixoforjamento utilizadas foram: temperatura da matriz e punção Tcavidade= entre 330

o

C e 380 o C; temperatura do reofundido Treofundido = 630 o

C, tempo de permanência do tarugo a T>Tsolidus (614

o

C) t reofundição = 15 min; fração sólida do reofundido em torno de 65%; força máxima de tixoforjamento Fmáx = 130 kN. Quatro peças obtidas nas referidas condições, com total preenchimento da cavidade e aparência geral aceitável, tiveram um de seus dois braços seccionado de maneira a se obter amostras para análises microestruturais e o outro para ensaios de dureza.

A matéria prima utilizada neste trabalho foi a liga A2011, fundida e solidificada sob ação de refinador de grão (Al-5%Ti-1%B) e alta taxa de resfriamento, apresentando estrutura equiaxial, isenta de formação dendrítica. Tarugos cilíndricos (φ44 x 40 mm) deste material foram submetidos à fusão parcial controlada para se obter a pasta reofundida a ser tixoforjada na geometria ilustrada na Figura 2.a. Microscopia óptica foi realizada nas regiões dos produtos obtidos, indicadas na Figura 2.b, as imagens forram digitalizadas e analisadas com sistema de análise de imagens acoplado ao microscópio.

Figura 2- Ilustração: a) produto tixoforjado; b) detalhe das regiões analisadas. Corte A - A A A I II III IV V Regiões analisadas 30 15 15 15 15 mm a) b) a) b) Cinta de aço Aço Revestimento refratário Refratário

A

A

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Em cada uma das cinco regiões analisadas nas quatro peças tixoforjadas, ilustradas na

Figura 2.b, foram tomados os seguintes procedimentos através do analisador de imagens: a) 2400 medições de tamanho de glóbulo, medindo-se cada glóbulo individualmente em duas

direções perpendiculares e calculado o valor mé dio de tamanho de glóbulos na região observada; b) 40 medições de fração sólida, por contagem da área correspondente à fase globular Al-α em relação à área total da imagem analisada e calculado o valor médio de fração sólida na região observada. Com um durômetro, utilizando- se esfera de φ 2,5 mm e força de 306,5 N, grupo de carga 5, foram realizadas 24 medições de dureza Brinell por região e calculado o valor médio de dureza de cada região observada.

RESULTADOS E DISCUSSÕES:

A Figura 3 mostra a microestrutura típica de peças obtidas nas matrizes refratárias a base de areia, nas condições de tixoforjamento testadas, composta por glóbulos equiaxiais da fase primária Al-α, com distintas regiões de fração sólida ao longo da peça. Pode- se observar na região mais próxima ao centro da peça, denominada região I, que além de apresentar glóbulos de contornos finos, indicativos de reduzida fração líquida, tendem a apresentar deformação plástica. Nas regiões intermediárias, denominadas regiões II, III e IV, observa- se glóbulos regulares da fase Al-α, característico de um reofundido, uniformemente distribuídos ao longo da peça. Particularmente na extremidade, denominada região V, destaca- se envolvendo os poucos glóbulos reofundidos, a segunda fase de fina formação dendrítica Al-α e fase eutética, formados na solidificação da fração líquida. Tal formação indica segregação do líquido durante o preenchimento da cavidade, para a frente do fluxo de material, apresentando também porosidade na região V, provavelmente por vazios de contração do líquido segregado.

A segregação de líquido durante a conformação de ligas semi -sólidas é fenômeno já observado por vários autores. Rovira (2) observa variação da fração sólida ao longo de braços de peças da liga A2011 tixoforjada em matrizes de aço VH13. Chen (4) também observou a segregação de líquido no sentido radial de peças cilíndricas na tixoconformação da liga A356.

A tensão mecânica aplicada sobre o material semi- sólido é absorvida pelas partículas sólidas e pela fração líquida presente na pasta. No sólido, componentes desta tensão mecânica dão origem à tensão de cisalhamento denominada “tensão de cisalhamento efetiva”. No líquido, dão origem à pressão gerada pela resistência do fluido em escoar através dos poros do esqueleto formado pelas partículas sólidas, denominada então de “pressão intersticial” (5)

.

No caso da tixoconformação de ligas reofundidas com significativa fração sólida, pode ocor rer a deformação do esqueleto formado pelas partículas sólidas enquanto ocorre o início do fluxo de líquido intersticial, seguido do fluxo simultâneo das fases após o rompimento do esqueleto. No estágio intermediário da deformação, as partículas sólidas começam a interagir sofrendo rolamento e deslizamento entre si. O líquido é segregado para as extremidades, criando o gradiente das frações sólida e líquida ao longo da peça em conformação; o líquido atua como lubrificante entre as partículas sólidas durante a tixoconformação, permitindo o seu rolamento e deslizamento e evitando assim grandes deformações nos glóbulos.

Com o avanço da conformação para os estágios finais, o centro da peça fica empobrecido em líquido evidenciando a segregação das fases. Com a fração sólida aumentada no centro da peça, gradualmente no lugar do rolamento e deslizamento pode ocorrer também a deformação plástica do sólido, podendo provocar a recristalização e consequentemente o refino dos glóbulos nesta região.

Os resultados obtidos até o momento em operações de tixoforjamento mostraram que, embora estruturas altamente isotrópicas e refinadas sejam obtidas com produtos tixoforjados, resultando em produtos com boas propriedades mecânicas, há separação de líquido e sólido durante a conformação, o que ocasiona gradientes de composição no produto e alguma heterogeneidade na estrutura. Esta separação parece ser reduzida com o aumento da velocidade de conformação imposta (6)

.

A baixa condutibilidade térmica do ferramental refratário permite o tixoforjamento a baixa velocidade de conformação, mantendo o processo isotérmico mesmo quando baixas temperaturas são utilizadas no ferramental, garantindo a manutenção da alta viscosidade do reofundido que assim requer menores forças para a conformação. A redução de tensões de processamento significa economia de energia (3)

.

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Figura 3 - Micrografia típica da liga A2011 tixoforjada em matrizes de areia

Região

II

Região

IV

500

µm

F

L

U

X

O

FLUXO

FLUXO

Região

V

Região

III

Região

I

FLUXO

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Os resultados da análise micrográfica, tamanho médio de glóbulos e fração sólida ao longo dos braços do produto tixoforjado em matrizes de areia são apresentados com seus respectivos desvios padrão na Tabela I e ilustrados graficamente na Figura 4.

Tabela I- Tamanho médio de glóbulos (Tg), fração sólida (Fs) e dureza Brinell (HB) ao longo dos produtos da liga A2011, tixoforjados em matriz de areia.

Região I II III IV V

Tg 97 ± 40 µm 136 ± 30 µm 142 ± 32 µm 140 ± 32 µm 140 ± 34 µm

Fs 97 ± 3 % 95 ± 2 % 90 ± 2 % 81 ± 7 % 37 ± 4 %

HB 56 ± 1 HB 56 ± 2 HB 62 ± 2 HB 65± 2 HB 108 ± 3 HB

Figura 4- Gráficos: a) tamanho médio de glóbulos; b) fração sólida; c) dureza Brinell; dos produtos da liga A2011, tixoforjados em matriz de areia.

Quanto ao tamanho médio de glóbulos, Figura 4a, o produto da matriz de areia apresenta na região I, próxima ao centro, reduzido valor em relação ao restante da peça, provavelmente resultado do maior grau de deformação plástica ocorridos com os glóbulos desta região que, ao final do tixoforjamento, está empobrecida de líquido segregado para as extremidades, aumentando a interação sólido/sólido que, em altas temperaturas, pode provocar a recristalização e consequentemente o refino. Nas regiões seguintes, II, III, IV e V, o tamanho médio de glóbulos é mais homogêneo e semelhante ao da matéria prima, resultado da menor interação entre sólidos na presença do líquido o que evita recristalização.

A distribuição da fração sólida apresenta- se na Figura 4b de forma gradual ao longo do produto da matriz de areia, característica de tixoconformação em baixas velocidades

,

Os resultados do decréscimo da fração sólida do centro para a extremidade são observados nos graduais valores de dureza ao longo do produto tixoforjado em matriz refratária. Maior dureza é relacionada com maior valor de fração líquida, predo minante na extremidade do produto, onde fases secundárias são concentradas ao final da solidificação.

A utilização de matrizes refratárias e punção com revestimento refratário no tixoforjamento, pode ser interessante em aplicações onde se deseja gradiente de propriedades relacionadas a variações de estrutura e de composição química da liga tixoforjada, pois o líquido segregado possui maior concentração de soluto (Cu) (3). Ferramental metálico aquecido à temperatura do reofundido pode oferecer o mesmo efeito de segregação na tixoconformação em baixas velocidades, entretanto, o ferramental refratário oferece, em termos de processamento, menores temperaturas no ferramental.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I II III IV V Regiões Fração sólida [%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 I I I III IV V Regiões Dureza Brinell [HB] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 I II III IV V Regiões Tamanho de glóbulo [ µm] a) b) c)

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CONCLUSÕES:

A análise microestrutural permitiu a interpretação dos mecanismos de conformação da pasta semi-sólida durante o tixoforjamento em matriz refratária, além da observação da distribuição de tamanho médio de glóbulos da fase Al-α e da gradual segregação das fases ao longo do produto, onde o líquido é segregado para a frente de av anço da pasta reofundida tixoforjada.

Os tamanhos médios dos glóbulos equiaxiais na microestrutura dos produtos tixoforjados nas matrizes e punções refratários, podem se apresentar refinados na região próxima ao centro do produto, quando há recristalizaç ão provocada pela deformação plástica da fase sólida drenada nesta região, ou seja, deformação da liga empobrecida da fase líquida; apresentam- se homogeneamente distribuídos nas regiões intermediárias onde não há recristalização, mantendo as características da matéria prima reofundida. Exceto nas extremidades do produto, onde a microestrutura é predominantemente dendrítica originária da solidificação do líquido segregado.

A análise de dureza do produto tixoforjado nas matrizes refratárias permitiu a observação do incremento desta propriedade mecânica a partir do centro para a extremidade do produto, o que indica sua relação de dependência com o gradiente de segregação das fases ao longo do produto. AGRADECIMENTOS:

Os autores agradecem à CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pelo apoio financeiro.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

1. Hirt, G. The Thixotec Research Project. In: 6th International Conference on the Semi - Solid Processing of Alloys and Composities, September, 2000, Turin. Proceedings... Italia: 2000. P. 55- 60. 2. Rovira, M. M. Forjamento da Liga A2011 no Estado Semi - Sólido: Estudo do Processo e do Produto. Tese de doutorado; janeiro 2000; FEM/UNICAMP.

3. Pella, W. Jr. Estudo de Viabilidade do Tixoforjamento da Liga A2011 em Matrizes Não Metálicas. Dissertação de mestrado, agosto 2002, DEF/FEM/UNICAMP.

4. Chen, C. P., Tsao, C. Y. A. Semi- Solid Deformation of A356 Al Allys. In: 4th International Conference on the Semi- Solid Processing of Alloys and Composites, June, 1996, Sheffield.

Proceedings... UK: 1996, p. 16- 20.

5. Tzimas, E., Zavaliangos, A. Mechanical Behavior of Alloys With Equiaxed Microestruture in the Semisolid State at High Solid Content. Acta Mater, v. 47, n 2, p. 517-528, 1999.

6. Kang, C.G., Choi, J. . The Effect of Strain Rate on Macroscopic Behavior in the Compression Forming of Semi - Solid Aluminium Alloys. Journal of Materials Processing Technology. v 88, p 159-168, 1999.

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MICROSTRUCTURAL ANALYSIS OF A2011

THIXOFORGED IN SAND TOOLS

W. Pella Jr, M. H. Robert,

DEF – FEM – UNICAMP, Campinas, 13083-970, SP, BRASIL wpella@fem.unicamp.br

Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas

ABSTRACT .

In thixoforging operations, low stresses are required in comparison to conventional forging, due to the special raw material condition, given by the presence of globular solid primary phase and liquid, characteristic of rheocast slurries. Previous results show that rheocast Al- Cu alloys present in the rheocast semi solid state a thixotropic behaviour and requires significant low forming forces when compared to conventional solid forging. From semi solid state complex geometries can be produced in just one step. The low forces required for thixoforging can allow the use of tools with lower mechanical requirements, like ceramic tools, even sand tools, which could represent significant savings on costs and energy consumption. This work shows results on thixoforging tests of A2011 alloy using tools produced in silica sand and cement as binder. Results show the possibility to produce parts with general acceptable quality, with fine equiaxial structure throughout. It also shows the segregation of liquid from flowing front during filling, resulting in certain heterogeneity in the distribution of relative fraction of phases along the specimen.