Avaliação da tixoconformabilidade da liga A318

i

TOMAIS GONÇALVES PELUSO

Avaliação da Tixoconformabilidade da Liga

A318

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Peluso, Tomais Gonçalves,

P368a PelAvaliação da tixoconformabilidade da liga A318 / Tomais Gonçalves Peluso. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.

PelOrientador: Eugênio José Zoqui.

PelDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.

Pel1. Ligas de alumínio. 2. Fundição. 3. Tixotropia. 4. Reologia. I. Zoqui, Eugênio José,1965-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Evaluation of the thixoformability of the A318 alloy Palavras-chave em inglês:

Aluminum alloys Casting

Thixotropy Rheology

Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica

Banca examinadora:

Eugênio José Zoqui [Orientador] João Batista Fogagnolo

Ricardo Risso Chaves

Data de defesa: 26-02-2015

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

vii Dedicatória

Dedico este trabalho aos meus pais, Mauro e Fátima, que sempre me apoiaram durante toda minha vida.

ix Agradecimentos

Desejo expressar aqui meus agradecimentos a todos que estiveram ao meu lado durante a realização deste trabalho:

Aos meus pais, Mauro e Fátima, e ao meu irmão Eduardo, por todo amor, carinho e compreensão de agora e sempre.

Ao Prof. Eugênio José Zoqui pela orientação nessa dissertação.

A todos os professores da Faculdade de Engenharia Mecânica, que ajudar direta ou indiretamente na conclusão deste trabalho.

Aos técnicos Miro, Fábio, Claudinete, e Zelaya, pois alguns experimentos não teriam sido possíveis de a ajuda dos mesmos.

Aos colegas, Bruna, Gabriela, Davi, Liah, Vanderlei, Wendel, Leandro e Kaio, por toda ajuda, discussões enriquecedoras e companheirismo.

Aos meus grandes amigos, Marco, Eugênio, Matheus e Thais, por todo o carinho, amizade e por todos os bons momentos que passamos juntos.

À Juliana, por todo amor e carinho, que certamente são mútuos.

xi

“Life is a series of experiences, each one of which makes us bigger, even though sometimes it is hard to realize this. For the world was built to develop character, and we must learn that the setbacks and grieves which we endure help us in our marching onward.”

xiii

Resumo

O objetivo desse estudo é avaliar a tixoconformabilidade da liga A318 sob três pontos de vista: o termodinâmico, o metalúrgico, e o reológico. Esse trabalho é motivado pela falta de estudos sobre a tixoconformabilidade desse material em ambientes industriais. Foram realizadas análises DSC e simulações utilizando o software Thermo-calc® para verificar a viabilidade do ponto de vista termodinâmico. Foram feitas comparações entre o material fundido com e sem agitação eletromagnética para decidir qual seria usado como material de estudo para o tratamento térmico de globularização, e em seguida análises para determinar tamanhos de glóbulo de fase primária, tamanhos de grão e fatores de forma, o que resultou no material fundido com agitação sendo escolhido. O material então passou pelo tratamento térmico de globularização, a fim de observar a evolução morfológica do material. Foram utilizadas micrografias para determinar os tamanhos de glóbulo primário e fator de forma, e micrografias coloridas para determinar os tamanhos de grão, para cada condição de ensaio proposta. O tratamento térmico globularizou com sucesso a microestrutura do material, obtendo fatores de forma de até 0,64, e tamanhos de glóbulo e grão de apenas 76 e 115 µm respectivamente. O material tratado termicamente passou então por ensaios de compressão a quente, para que fosse observado seu comportamento reológico. O maior valor de tensão obtido durante os ensaios foi de apenas 1,95 MPa, e a viscosidade aparente se manteve na ordem de grandeza de 105 Pa.s, o que de acordo com a literatura é semelhante à do vidro fundido, e apresentam ótima conformabilidade. De maneira geral, observou-se pouca variação na morfologia e na reologia do material para as condições de estudo propostas, mostrando que o material é viável para ser utilizado no estado semissólido em ambientes industriais.

xv

Abstract

The objective of this study is to evaluate the thixoformability of the A318 alloy under three points of view: the thermodynamic one, the metallurgic one, and the rheologic one. This work is motivated by the lack of that support the thixoformability of this material in industrial environment. DSC analyses, and simulations using the Thermo-calc® software were run in order to verify the viability from the thermodynamical point of view. Comparisons were made between the materials as-cast and electromagnetically stirred in order to decide which would be the feedstock material for the globularization heat treatment, analyzes to determine globule size, grain size and shape factor resulted in the stirred material being chosen. Material then went into globularization heat treatment in order to observe the evolution of the material’s microstructure. The heat treated material then went through hot pressing tests in order to observe its rheologic behavior. Micrographs were used to determine average primary globule size and shape factor, and macrographs to determine grains size. The heat treatment successfully globularized the microstructure, giving shape factors as high as 0.64, and primary globule and grains sizes only as high as 76µm and 115µm respectively. The material then went through hot pressing tests in order to observe its rheologic behavior. The highest stress shown during the tests was only as high 1,95 MPa, and the apparent viscosity was in the order of magnitude of 105 Pa.s, which according to specialized literature is similar to that of the molten glass, which shows great conformability. In general, there was close to no variation in morphologic and rheologic behavior for the intended test conditions, showing the material’s processing in the semisolid state in industrial environments to be viable.

xvii

Lista de Ilustrações

2.1 Ilustração esquemática das diferentes rotas de processamento no estado

semissólido. 4

2.2 Processos mais empregados para conformar materiais no estado semissólido 5 2.3 Evolução da estrutura durante a solidificação sob agitação: (a) fragmento inicial

da dendríta; (b) crescimento da dendríta; (c) estrutura de roseta; (d) roseta

durante o resfriamento; (e) estrutura globular 8

2.4 Esquema geral dos mecanismos de engrossamento dendrítico de Ostwald

ripening: (a) e (b) Kattamis e Flemings; (c) Kahlweit 9 2.5 Esquema geral dos mecanismos de engrossamento dendrítico por coalescência:

(a) Young e Kirkwood; (b) Genda 10

2.6 Explicação visual dos critérios de caracterização termodinâmica. 12

3.1 Fluxograma das etapas de trabalho 18

4.1 Termograma da liga A318 para várias taxas de aquecimento 28 4.2 Curvas de Fração Líquida (%) em função da Temperatura (oC) para várias taxas

de aquecimento, obtidas a partir do termograma e do software Thermo-calc® 29 4.3 Micrografias convencionais do material lingotado sem e com agitação

eletromagnética 32

4.4 Micrografias coloridas do material lingotado sem e com agitação

eletromagnética 33

4.5 Micrografias convencionais do material tratado termicamente a 575oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, com tempos de espera de 0s, 30s,

60s e 90s 35

4.6 Micrografias convencionais do material tratado termicamente a 582oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, com tempos de espera de 0s, 30s,

xix

4.7 Micrografias coloridas do material tratado termicamente à 575oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, com tempos de espera de 0s, 30s, 60s e

90s 39

4.8 Micrografias coloridas do material tratado termicamente à 582oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, com tempos de espera de 0s, 30s, 60s e

90s 40

4.9 Valores de RQI em função do tempo de tratamento para cada condição de

tratamento térmico 44

4.10 Curvas de Tensão x Deformação do material tratado termicamente à 575oC e 582oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, com tempos de

espera de 0s, 30, e 60s 46

4.11 Curvas da viscosidade aparente em função da taxa de cisalhamento do material tratado termicamente à 575oC e 582oC, às taxas de aquecimento de 50oC/min e

100oC/min, com tempos de espera de 0s, 30, e 60s 49 4.12 Efeito do tempo de tratamento sobre a viscosidade aparente do material

xxi

Lista de Tabelas

2.1 Composição das ligas de alumínio A318 e A319 17

3.1 Composição da Liga A318 20

4.1 Temperaturas de trabalho encontradas para cada um dos métodos de

caracterização da transformação sólido-líquido 29

4.2 Resultados das contagens de glóbulos e grãos e fator de forma das micrografias

relativas ao material lingotado sem e com agitação eletromagnética 33 4.3 Valores de tamanho médio de glóbulo primário e de fator de forma para cada

condição de ensaio proposta 37

4.4 Valores de tamanho médio de grão e de RQI para cada condição de ensaio

proposta 42

4.5 Valores de tensão máxima do material estudado para cada condição de ensaio

proposta 47

4.6 Valores de viscosidade aparente máxima do material estudado para cada

xxiii

Lista de Abreviaturas e Siglas

Letras Latinas A – Área [m2] e – Deformação de engenharia F – Força [N] H – Altura [m] P – Perímetro [m] V – Volume [m3] Letras Gregas µ - Viscosidade [Pa.s] σ - Tensão [Pa] γ - cisalhamento Superescritos ‘ – indicativo de taxa Subscritos

0 – medido ao início do ensaio α – relativo à partícula primária AV - média

Abreviações

DSC – Differential Scanning Calorimetry

GLS – Globule Size [m]

GS – Grain Size [m]

RQI – Rheocast Quality Index SF – Shape Factor

Siglas

xxv

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 1

1.1 Objetivos 2

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3

2.1 Reofundição e tixoconformação: conceitos gerais 3

2.2 Processos de tixoconformação e suas vantagens 4

2.3 Mecanismos de formação de estruturas globulares 8

2.4 Caracterização de estruturas semissólidas 11

2.4.1 Caracterização termodinâmica 11 2.4.2 Caracterização metalúrgica 13 2.4.3 Caracterização reológica 14 2.5 Ligas Al-Si-Cu 16 3 MATERIAIS E MÉTODOS 18 3.1 Material 19

3.2 Caracterização Térmica do Material 20

3.3 Lingotamento com Agitação Eletromagnética 21

3.4 Caracterização Microestrutural 23

3.5 Tratamento Térmico de Globularização 24

3.6 Ensaios de Compressão a Quente 25

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 27

4.1 Caracterização Termodinâmica 27

4.2 Caracterização Microestrutural 31

4.2.1 Caracterização microestrutural preliminar do material 31 4.2.2 Caracterização microestrutural do material após o tratamento térmico de

globularização 34

4.3 Caracterização Reológica 44

4.4.1. Tensão 45

xxvii

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 52

1

1 INTRODUÇÃO

Já é reconhecido que processamentos no estado semissólido (SSP) oferecem vantagens significativas quando comparados às técnicas de fundição, forjamento, e metalurgia do pó. O principal pré-requisito para que uma liga possa ser conformada do estado semissólido é que ela apresente microestrutura fina e equiaxial, livre de dendritas durante a conformação. (TZIMAS, 2000). Ligas com microestrutura equiaxial são tixotrópicas: apresentam resistência ao escoamento significativamente menor durante o cisalhamento no estado semissólido do que materiais com microestrutura dendrítica, e se comportam como sólidos em repouso (FLEMINGS, 1991; KIRKWOOD, 1994). O comportamento de sólido se deve à presença de um esqueleto sólido de grãos interconectados (KAPRANOS et al. 1989), , durante o cisalhamento, as conexões entre os grãos do esqueleto se quebram, reduzindo a viscosidade do material semissólido (JOLY e MEHRABIAN, 1976).

Tecnologias em materiais semissólidos têm sido cada vez mais utilizadas devido às vantagens que apresentam em relação aos processos de manufatura convencionais de ligas metálicas (ZOQUI e ROBERT, 1998). O processamento de materiais no estado semissólido pode resultar em produtos com uma microestrutura particular, distinta da dendrítica convencional, normalmente obtida em materiais fundidos, forjados, e extrudados, apresentando fase primária com morfologia globular (FLEMINGS, 1976).

Enquanto já é conhecido que, para materiais dendríticos, as propriedades mecânicas dependem da fração relativa, morfologia, dimensão e distribuição das fases, e também que é possível controlar tais propriedades com tratamentos térmicos apropriados, o comportamento de estruturas reofundidas globulares ainda é pouco explorada (ROBERT, 1993). Turkeli e Akbas (1996) observaram aumento na dureza da liga AA7075 reofundida pelo tratamento térmico; o mesmo foi observado por Simó et al. (1996), trabalhando com aços ferramenta M2. Prasad et al.(1989) relatam dependência entre estrutura e propriedades para ligas Al-6wt%Cu, utilizando material produzido pelo método da agitação, que introduz alta porosidade.

2

1.1 OBJETIVOS

A falta de estudos relativos a evolução microestrutural de materiais com foco em seu uso industrial em processos no estado semissólido leva a este presente trabalho, que tem como objetivo o estudo da tixoconformabilidade da liga A318, de três pontos de vista diferentes:

1. O ponto de vista da termodinâmica, apoiado pelos critérios sugeridos e selecionados por Atkinson et al. (2005);

2. O ponto de vista da metalurgia, baseado na evolução da microestrutura do material e dos efeitos da temperatura, taxa de aquecimento, e tempo de tratamento térmico no tamanho de grão e fator de forma, e;

3. O ponto de vista da reologia, analisando a resposta do material no estado semissólido a ensaios de compressão a quente em diversas condições, por meio de curvas tensão vs. deformação e curvas de viscosidade aparente vs. taxa de cisalhamento.

A combinação desses três pontos de vista dá uma avaliação bastante precisa da tixoconformabilidade da liga A318 em ambientes industriais, visto que os experimentos são modificados para terem este enfoque.

3

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Neste capítulo, será apresentada a discussão teórica que servirá como base para o desenvolvimento desse trabalho, abordando desde o material utilizado, até a teoria dos processos de reofundição e tixoconformação, além de alguns conceitos para o entendimento dos fenômenos ocorridos no processamento do material.

2.1 Reofundição e tixoconformação: conceitos gerais

Os termos reofundição e tixoconformação são as designações simplificadas da tecnologia que se aplica à obtenção de componentes a partir da conformação de ligas no estado semissólido.

“Reofundição” se refere ao processo no qual o material é resfriado ao estado semissólido e injetado num molde sem uma etapa intermediária de solidificação. A microestrutura não-dendrítica pode ser obtida de diversas maneiras diferentes, como agitação mecânica ou agitação eletromagnética. Para este tipo de processamento não é necessário que a matéria prima tenha passado por nenhum tratamento de globularização prévio, e sobras de material podem ser recicladas diretamente na planta. (ATKINSON, 2005)

“Tixo” normalmente se refere aos processos nos quais existe uma etapa intermediária de solidificação. O termo “Tixoconformação” inclui todos os processos: tixofundição, tixoinjeção, tixoforjamento e tixoextrusão. Detalhados posteriormente. (ATKINSON, 2005)

A distinção entre reofundição, tixofundição e tixoforjamento é ilustrada pela Figura 2.1.

São inúmeras as vantagens apresentadas pelos métodos: menor consumo de energia, possibilidade de uso de diversas ligas e formas geométricas, aumento da vida útil de matrizes, obtenção de peças com excelente acabamento superficial e alta qualidade dimensional e produção near-net-shape. (ATKINSON, 2005)

4

2.1 Ilustração esquemática das diferentes rotas de processamento no estado semissólido. Adaptado de (ATKINSON, 2005)

2.2 Processos de Tixoconformação e suas vantagens

Alta produtividade, baixo custo, melhoria da qualidade dos produtos são alguns dos requisitos para os processos de conformação de metais hoje em dia. As tendências atuais observadas na manufatura são: a procura de uma conformação mais próxima do produto final (near net shape); geometrias mais complexas em maiores e menores dimensões; utilização de materiais mais difíceis no processamento como titânio. A exploração dessas vantagens fez com que se originassem um grande número de institutos de pesquisa e grupos de trabalho para tratarem deste assunto. Alguns ligados a universidades, outros a empresas e muitos em parcerias entre ambos. Várias empresas de médio e grande porte foram criadas em vários países no mundo, principalmente nos Estados Unidos, Europa e Japão para produzirem peças para as mais variadas aplicações industriais. Neste contexto de novas técnicas encontra-se a tixoconformação ou processamento semissólido (VOELKNER, 2000; ATKINSON, 2005).

As técnicas de tixoconformação até hoje experimentadas se derivam das empregadas nos processos convencionais de conformação termomecânica. Na Figura 2.2 pode ser visto os

5

processos mais empregados para conformar materiais no estado semissólido, desde a produção da matéria-prima até seu processamento.

Figura 2.2: Processos mais empregados para conformar materiais no estado semissólido (TORRES, 2009).

A tixofundição por injeção, ou simplesmente tixoinjeção, foi o primeiro processo desenvolvido e aplicado na tecnologia de conformação de metais no estado semissólido sendo, o processo de tixoconformação mais utilizado. O equipamento comumente utilizado na tixoinjeção é a máquina injetora sob pressão do tipo horizontal, geralmente de capacidade maior do que as convencionalmente utilizadas, tendo a ela associados fornos de reaquecimento de tarugos para alcançar temperatura desejada, ou seja, na faixa semissólida (YOUNG, 1994). Em relação às propriedades mecânicas das peças tixofundidas, já tem sido demonstrado que são melhores ou no mínimo similares às obtidas pelo processo convencional de fundição sob pressão (HIRT, 2000), pois permitem um melhor preenchimento do molde, produzindo assim peças livre de poros e inclusões, melhor acomodação das tensões internas reduzindo a ocorrência de trincas de contração obtendo assim, estruturas mais homogêneas, entre outras.

6

Na literatura especializada há trabalhos que mostram a possibilidade de extrusão de ligas semissólidas utilizando técnicas e equipamentos convencionais, não havendo notificação do desenvolvimento de equipamentos especiais. Neste campo podem ser mencionados os trabalhos de Gullo et al. (2000) e Finke et al. (2000). Quanto à extrusão lateral Kopp et al. (2000) reportam a aplicação do processo para a tixoconformação de peças das ligas de alumínio AA356, AA6082 e

AA7075. Trabalhos nesse tipo de processo são bastante escassos, o que justifica a falta de relatos da utilização da tixoextrusão em situações práticas.

O domínio da tecnologia de tixoforjamento ainda é deficiente, quando comparado com a tixoinjeção, o que tem inibido o seu uso comercial. O forjamento livre e o recalque de peças mediante testes de compressão de metais semissólidos com altas frações sólidas são os tipos de forjamentos mais estudados. Em relação ao estudo das propriedades mecânicas das peças tixoforjadas, também existem poucas publicações. Kapranos (1993), tixoforjou a liga AA357, obtendo uma peça em forma de disco e destes foram tirados corpos de prova para estudo das propriedades mecânicas dos tixoforjados. As peças foram submetidas a tratamento térmico de solubilização e envelhecimento artificial (T6), as propriedades mecânicas destas peças foram superiores às obtidas em produtos fundidos; o autor não fez comparações com as propriedades obtidas em produtos forjados convencionalmente. Zoqui, Lourençato e Benati (2008) reportam também excelentes resultados obtidos para ligas Al-Si-Mg tixoforjadas, onde produtos com baixa porosidade e bom comportamento mecânico foram produzidos, destacando que a conformação via tixoforjamento mostra excelente preenchimento da matriz em cargas baixas e ressaltando a aplicabilidade desta tecnologia também para produção em projetos pequenos e de baixo custo.

Existem várias vantagens na utilização do processamento dos materiais no estado semissólido, em comparação com os processos convencionais. Segundo Atkinson (2005), as principais vantagens na utilização do processamento dos materiais no estado semissólido são: Eficiência energética, uma vez que não há necessidade de se manter o material no estado líquido por muito tempo como na fundição; altas taxas de produtividade, devido à possibilidade de se trabalhar a menores temperaturas, os tempos de solidificação são reduzidos, possibilitando assim uma maior produção para um mesmo intervalo de tempo; preenchimento suave do molde sem

7

aprisionamento de ar, conferindo ao produto uma melhor qualidade; aumento da vida útil da matriz devido ao uso de temperaturas de processo mais baixas quando comparadas com os processos convencionais, reduzindo assim o desgaste nas matrizes; obtenção de microestruturas refinadas e uniformes que melhoram as propriedades mecânicas das ligas; obtenção de componentes near net shape (produzindo peças com dimensões próximas ao produto final e com o mínimo de etapas em seu processamento); maior flexibilidade de geometrias e eliminação de defeitos internos e de tensões residuais.

Spencer et al.(1972) notou que a viscosidade da liga em solidificação na condição de pasta semissólida apresentava um comportamento particular muito interessante, mantendo elevada fluidez, mesmo para altas frações sólidas presentes na pasta. Descobriu também, que a pasta apresentava comportamento tixotrópico, no qual a sua viscosidade aparente é dependente da taxa de cisalhamento a que é submetida e do seu tempo de aplicação. Spencer observou que o efeito das forças cisalhantes sobre a liga em solidificação faz sua natural formação dendrítica romper-se, com isso as partículas sólidas remanescentes deste processo de rompimento ficam suspensas no líquido em movimento. Mantendo a temperatura da liga num valor intermediário entre as linhas solidus e liquidus, estas partículas sólidas suspensas no líquido e que sobrevivem tendem a assumir uma geometria aproximadamente esférica, ou globular, por efeito da necessidade da redução da tensão superficial do glóbulo cristalino.

É importante ressaltar que dependendo da rota utilizada para obtenção do material semissólido, a microestrutura final não é totalmente globular, somente o reaquecimento ao estágio de semissólido promove a globularização total, pois o aumento da temperatura fornece energia para os glóbulos e para os grãos crescerem e formarem uma estrutura homogênea (FLEMINGS, 1991).

Neste trabalho, para obter microestrutura mais refinada possível, foi utilizada a agitação eletromagnética: isso consiste em agitar eletromagneticamente (e, portanto sem a contaminação, aprisionamento do gases e erosão do agitador envolvidos na agitação mecânica) durante a solidificação para quebrar dendritas. Há alguns problemas associados à essa rota, como a falta de

8

uniformidade e o fato de que os esferoides não são completamente circulares e apresentam rosetas. (ATKINSON, 2005)

2.3 Mecanismos de formação de estruturas globulares

Dentre os processos que ocorrem durante a solidificação, existe ainda uma subdivisão entre processos que interferem no crescimento e processos que interferem na nucleação. Os processos que interferem no crescimento são os mecanismos de globularização e o engrossamento. Esses mecanismos atuam no líquido em solidificação de maneira a inibir ou suprimir o crescimento dendrítico através de uma grande agitação que gera a ruptura da estrutura já formada e sua globularização por mecanismos de redução de energia superficial (FLEMINGS, 1991).

O mecanismo de globularização ocorre a partir do engrossamento das dendritas em meio líquido. Este fenômeno ocorre a partir de dendritas equiaxiais que estão em crescimento no líquido, resultantes de ramos desprendidos ou mesmo dendritas originais, sendo engrossadas pelos mecanismos de transferência de massa. Como mostra a Figura 2.3:

Figura 2.3: Evolução da estrutura durante a solidificação sob agitação: (a) fragmento inicial da dendríta; (b) crescimento da dendríta; (c) estrutura de roseta; (d) roseta durante o resfriamento;

(e) estrutura globular (ATKINSON, 2005).

Os dois principais mecanismos de engrossamento são: 1. Ostwald ripening e; 2. Coalescência.

9

O mecanismo de engrossamento por Ostwald ripening consiste na dissolução de ramos menores, e deposição dos mesmos nos ramos maiores, tendo como resultado uma redução do número de ramos dendríticos e o aumento da distância entre eles, conforme pode ser visto nos três modelos propostos por Kattamis et al. (1967) e Kahlweit (1968), apresentados na Figura 2.4.

Figura 2.4: Esquema geral dos mecanismos de engrossamento dendrítico de Ostwald ripening: (a) e (b) Kattamis et al. (1967); (c) Kahlweit (1968).

O mecanismo de engrossamento por coalescência consiste na aglomeração de ramos dendríticos secundários, esse mecanismo foi proposto por Young et al. (1994) e Kirkwood (1992), e Genda et al. (1987), conforme pode ser visto na Figura 2.5. Esta aglomeração resulta na supressão de superfícies de separação, levando a coalescência de dois ou mais braços em apenas um com maior dimensão.

10

Ambos os mecanismos são bastante aceitos pela literatura, porém, o proposto por Genda explica a formação do entrapped liquid apresentado por Flemings, este está presente em praticamente todas as estruturas semissólidas pesquisadas até o momento (ZOQUI, 1995).

Figura 2.5: Esquema geral dos mecanismos de engrossamento dendrítico por coalescência: (a) Young et al. (1994) e Kirkwood (1994, 1992); (b) Genda (1987).

Segundo Tzimas (TZIMAS, 2000), os fenômenos de Ostwald Ripening e de Coalescência operam simultaneamente e independentemente. Sabendo que a coalescência é proporcional o número de grãos adjacentes, espera-se que esse mecanismo seja predominante em situações com baixas frações líquidas e curtos tempos de tratamento, e que o mecanismo de Ostwald Ripening seja predominante em situações de altas frações líquidas e longos tempos.

Tendo em vista que a estrutura globular das pastas semissólidas é o resultado do rompimento de ramos dendríticos, pode-se supor que tais fenômenos possam ser promovidos também a partir de uma estrutura dendrítica. Diante disto, várias pesquisas viabilizaram a produção de pastas semissólidas a partir de material solidificado convencionalmente via processamento posterior à solidificação, pela fusão parcial seletiva de fases via tratamentos

11

térmicos. A Fusão Parcial Controlada (FPC) basicamente envolve o aquecimento do material a temperaturas superiores à temperatura solidus, promovendo a liquefação de fases de baixo ponto de fusão, como fases eutéticas em ligas hipoeutéticas e hipereutéticas. A fase primária remanescente, envolta por líquido, tende naturalmente a globularizar devido a fenômenos de redução da energia superficial. A manutenção do material a uma temperatura e tempo adequado resulta em estruturas globulares (REEVES et al., 1971; ROBERT et al., 1987; ROBERT 1989; ZOQUI, 2001).

Ferrante et al. (1999) determinaram a viscosidade aparente de metais semissólidos através de testes de indentação, onde a amostra é aquecida até a temperatura semissólida desejada e em seguida, são aplicadas cargas sobre as amostras por de um indentador. Através desses testes, os autores observaram que quando comparadas as amostras dendríticas e semissólidas, a viscosidade era menor para as amostras semissólidas quando se tratava da mesma taxa de indentação analisada, devido à sua estrutura globular. Além disso, os autores observaram que dentro de uma mesma condição (dendrítica ou semissólida), o aumento da taxa de indentação reduzia a viscosidade aparente do material dentro da mesma fração líquida.

Kang et al. (1999) realizaram testes de compressão a quente em ligas AA356 semissólidas. Neste trabalho os autores comparam a curva tensão-deformação, de metais com estrutura globular (caracterizados como metais semissólidos) com materiais de comportamento sólido. Notaram que o material no estado sólido apresentou um aumento da tensão com o aumento da deformação, devido à deformação plástica e ao encruamento, já para o material no estado semissólido o comportamento é bem diferente, apresentando uma tensão muito menor. No início do ensaio de compressão a quente ocorre a desaglomeração dos grãos sólidos, e em seguida ocorre o escoamento do material, então começa a ocorrer a expulsão do líquido para a periferia da amostra e por fim, após praticamente todo líquido é expulso, ocorre a deformação sólido-sólido. Sendo que da desaglomeração até o fim da expulsão da fase líquida, a tensão tende a cair.

12

2.4 Caracterização de estruturas semissólidas

2.4.1 Caracterização termodinâmica

Os critérios para avaliação da tixoconformabilidade baseados em previsões termodinâmicas adotados neste presente trabalho são adaptados dos critérios propostos por Atkinson (2005), a diferença no intervalo de trabalho escolhida se deve à diferença de processos de tixoconformação que motivam este e aquele trabalho, sendo este focado no tixoforjamento, e o outro focado na tixofundição. Os critérios são:

1. O “joelho” mais alto na curva de fração líquida vs. Temperatura deve ocorrer entre o intervalo de 40% e 60% de líquido, como mostrado pelo círculo vermelho na figura 2.6. Essa é a temperatura eutética binária, ou seja, a temperatura na qual a fase primária começa a se fundir. A quantidade de líquido nesse joelho é a quantidade de eutético na estrutura. Pode se teorizar que, se isso ocorrer entre 40% e 60% de líquido, a formação de líquido tende a ser controlável porque a taxa de formação de líquido acima do joelho tende a ser mais lenta do que abaixo dele.

13

2. A sensibilidade da fração líquida a 0,5, como mostra a linha verde na figura 2.6, deve ser tão baixa quanto for possível, pode-se adotar menor que 0,03K-1. Experiência em tixoconformação sugere que a janela mínima de trabalho para tixoforjamento está entre as temperaturas equivalentes às frações líquidas de 0,4 e 0,6, e é de aproximadamente 6K. Isso surge porque, no aquecimento por indução, o exterior do material é aquecido primeiro e o calor deve então ser conduzido ao interior da amostra. Isso leva um período finito de tempo no qual a temperatura do exterior ainda está aumentando. Se a fração líquida do exterior passar de 0,6, é provável que o líquido comece a escorrer. Ou seja, um valor alto de sensibilidade resultaria em uma variação substancial de fração líquida para uma variação pequena de temperatura, o que inviabilizaria o controle da matéria prima semissólida.

3. O intervalo de solidificação entre a temperatura solidus e liquidus, mostrado pela linha azul na figura 2.6, não deve ser muito largo, adota-se que o intervalo deve ser menor do que 130K. Esse critério se origina na descoberta de que a liga 2014 (Al-Cu-Si-Mg), com intervalo de solidificação de 131K, está no limite a tixoconformabilidade por causa da susceptibilidade a apresentar trincas de contração durante sua solidificação.

Evidências para todos esses critérios são dadas pelos resultados experimentais dos ensaios de calorimetria diferencial (DSC), e também por simulações termodinâmicas feitas pelo software Thermo-Calc®.

2.4.2 Caracterização metalúrgica

Devido às aglomerações existentes na microestrutura, o tamanho de glóbulo da partícula primária corresponde apenas em parte ao real tamanho de grão. Porém, na micrografia colorida, é fácil de reconhecer o tamanho de grão como um todo, contrariamente à micrografia em preto e branco, especialmente nas situações com maior tamanho de grão. O tamanho de glóbulo é, na realidade, o tamanho médio da fase primária observada na microestrutura. (ZOQUI, 2001)

14

Com as informações dos tamanhos de grãos e partículas primárias disponíveis, Zoqui (2001) desenvolveu uma ferramenta de trabalho, o Rheocast Quality Index (RQI), que correlaciona parâmetros morfológicos com parâmetros macro e microestruturais, permitindo assim analisar a eficiência do método de obtenção da matéria prima, e é dada por:

𝑅𝑄𝐼 = (

𝐺𝑆

) 𝑆𝐹 (Equação 2.1)

Onde GLS é o tamanho da partícula primária e SF é o fator de forma na microestrutura enquanto que o GS é o tamanho de grão na macroestrutura. Dividindo-se o tamanho da partícula primária pelo tamanho de grão, chega-se então a uma razão entre a “macro” e microestrutura do material, para a qual espera-se que o valor encontrado seja o mais próximo de “1”, pois nestas condições o tamanho de grão seria igual ao tamanho de glóbulo, fato que implicaria em uma estrutura menos complexa. O fator de forma empregado na Equação 2.1 acima foi o parâmetro de circularidade, o parâmetro de roundness, ou surface factor (SF) e é dada por:

𝑆𝐹 =

𝑃_𝛼2 (Equação 2.2)

Onde Aα é a área da entidade avaliada e Pα é o perímetro da entidade avaliada.

2.4.3 Caracterização reológica

Todas as análises das características de escoamento do material semissólido obtidas nesta dissertação, do mesmo modo que a maioria dos estudos neste campo tem como base este trabalho de Laxmanan e Flemings (1980), de modo que, na sequência, serão apresentadas todas as equações utilizadas para tal. Para todos os casos, considera-se como ponto de partida uma amostra cilíndrica de altura inicial (H0) e diâmetro inicial (D0). A deformação de engenharia (e)

15

𝑒 = 1 − (

𝐻₀

) (Equação 2.3)

Assumindo que o volume, (V), é constante durante todo o ensaio de compressão e que a amostra seja comprimida entre duas placas cuja área de superfície é maior que a maior área ocupada pelo material deformado, a tensão (σ) em um determinado tempo (t) de ensaio será dada por:

𝜎 =

𝑉

(1 − 𝑒) =

𝑉 (Equação 2.4)

Onde (F) é a força aplicada num determinado tempo (t). Para o caso de um fluido viscoso do tipo newtoniano a relação entre viscosidade (μ) e a força aplicada para a deformação, utilizando-se também o ensaio de compressão em duas placas paralelas, impondo a força aplicada e medindo a deformação, é dada por:

𝜇 = (

3𝑉2_{𝛿𝐻 𝛿𝑡⁄}

) (Equação 2.5)

Além dos cálculos para a obtenção da viscosidade, Laxmanan propôs uma maneira simplificada para se obter a taxa de cisalhamento média (γ'AV) dada por:

𝛾

= − (√

) (

)

Com isso é possível obter a viscosidade em função do tempo, assim como a taxa média de cisalhamento. A caracterização de ambos visa estabelecer meios para analisar o comportamento não newtoniano destas pastas, uma vez que o material semissólido não se comporta como um material newtoniano e sim como um fluido tixotrópico.

16

Segundo Zoqui (2001), para um metal que será processado no estado semissólido, por tixoconformação, a determinação da viscosidade do material em função da taxa de cisalhamento talvez seja a caracterização mais importante.

2.5 Ligas Al-Si-Cu

Praticamente toda a tixoconformação comercial é feita com as ligas de fundição convencionais A356 e A357. Por isso, existe demanda para aumentar a variedade de ligas, incluindo aquelas com maior desempenho, que geralmente são conformadas. Porém, a prática traz a tona algumas dificuldades, como: a rampa íngreme na curva de fração líquida vs. temperatura para ligas como a liga 6061, e trincas de contração em ligas como a 2014. Esforços consideráveis de sido dirigidos para entender o que influencia a tixoconformabilidade. (ATKINSON, 2005)

Atkinson (2005) estudou os efeitos da adição de cobre na tixoconformabilidade em ligas Al-Si, e os efeitos da adição de silício em ligas Al-Cu para a tendência de aparecerem trincas de contração. Notou-se que a adição de cobre deixou a rampa da curva de fração líquida vs. temperatura muito menos íngreme, e aumentou o intervalo de temperatura no qual o material pode ser trabalhado, e que silício aumenta a quantidade de fase eutética, e diminui o intervalo de solidificação das ligas Al-Cu. Como conclusão desse estudo, Atkinson sugere que algumas ligas Al-Si-Cu e Al-Si-Cu-Mg sejam apropriadas para o uso em processos no estado semissólido.

A liga de alumínio A319 é comumente utilizada na indústria automotiva por sua boa fluidez e propriedades mecânicas. Esta liga oferece alta resistência mecânica, excelente fundibilidade, baixa densidade e boa qualidade superficial tanto em moldes permanentes quanto em moldes de areia. Apesar de haverem relatos do uso da liga A319 para tixoconformação, a maioria foi produzida por meio de agitação mecânica. (SALLEH et al., 2014)

A liga A318 é bastante similar, quanto à composição, com a liga A319, como mostra a Tabela 2.1, e se encaixa nas composições sugeridas por Atkinson como tixoconformáveis, porém, carece de trabalhos referentes à sua tixoconformabilidade, esse trabalho tem como

17

objetivo preencher essa lacuna, buscando aumentar a variedade de ligas comerciais que possuem boa tixoconformabilidade, mesmo em ambientes industriais.

Tabela 2.1 – Composição das ligas de alumínio A318 e A319 Composição (wt.%) Si Cu Mg Fe Mn Ni Zn Al A318 5.5 - 6.5 3.0 - 4.0 0.10 - 0.60 ≤ 1.0 ≤ 0.50 ≤ 0.35 ≤ 1.0 85.3 - 91.4 A319 5.5 - 6.5 3.0 - 4.0 ≤ 0.10 ≤ 1.0 ≤ 0.50 ≤ 0.35 ≤ 3.0 83.8 - 91.5

18

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo será apresentada de forma detalhada toda a metodologia utilizada no desenvolvimento desse presente trabalho. O trabalho foi dividido em cinco etapas, resumidas pelo fluxograma na Figura 3.1.

Figura 3.1: Fluxograma das etapas de trabalho

Na primeira etapa foi realizada a identificação do material, utilizando técnicas para identificar a composição, e detectar a presença de impurezas que inviabilizassem o trabalho.

Na segunda etapa foi realizada a caracterização térmica do material, ou seja, encontradas as temperaturas solidus e liquidus, bem como todas as temperaturas intermediárias e suas respectivas frações sólido-líquido, utilizando o método DSC (Differential Scanning

Calorimetry), e simulação pelo software Thermo-Calc®. Assim pode-se definir todas as

19

Na terceira etapa do trabalho, tendo definido a temperatura liquidus, e a partir dela a temperatura de vazamento, foi realizado o lingotamento do material, a fim de deixar o material mais próximo do formato necessário para os ensaios subsequentes, bem como ter controle da microestrutura do material de partida para os ensaios. No início desta etapa foi realizada comparação entre o lingotamento com agitação eletromagnética e sem agitação eletromagnética, para definir qual seria o melhor material de partida.

Na quarta etapa foi realizado o tratamento térmico de globularização da microestrutura, com duas taxas de aquecimento diferentes: 50oC/min e 100oC/min; duas temperaturas finais: 575oC e 582oC; e quatro tempos de permanência a temperatura final: 0s, 30s, 60s e 90s; Em seguida realizou-se caracterização microestrutural para cada condição. Essa etapa teve como objetivo observar o efeito de cada um desses parâmetros na evolução morfológica do material, verificando os mesmos por meio de micrografias em preto e branco e coloridas.

Na quinta etapa do trabalho foi realizado o ensaio de compressão a quente, para caracterização reológica do material, mais especificamente da sua viscosidade aparente no estado semissólido. A caracterização reológica foi realizada com as mesmas condições empregadas no tratamento térmico de globularização, ou seja, duas taxas de aquecimento diferentes: 50oC/min e 100oC/min; duas temperaturas finais: 575oC e 582oC; e quatro tempos de permanência a temperatura final: 0s, 30s, 60s e 90s; Em seguida realizou-se caracterização microestrutural para cada condição.

3.1 Material

A liga de alumínio escolhida para este trabalho foi a liga comercial A318. Esta liga apresenta em sua composição como elementos de liga principais o silício e o cobre. Sua composição foi obtida por análise num espectrômetro de massa, e está listada em paralelo à composição teórica na Tabela 3.1.

20 Tabela 3.1: Composição da Liga A318

Composição (wt.%) Si Cu Mg Fe Mn Ni Zn Al Espectrômetro 5,92± 0,12 3,54± 0,1 0,15± 0,01 0,43± 0,03 0,34± 0,01 0,25± 0,01 0,36± 0,01 89,01± 0,29 Especificação 5.5 - 6.5 3.0 - 4.0 0.10 - 0.60 ≤ 1.0 ≤ 0.50 ≤ 0.35 ≤ 1.0 85.3 - 91.4 Os resultados do espectrômetro se encontraram dentro dos limites especificados pelo fabricante, para todos os elementos. As quantidades de alguns elementos se encontraram perto do valor máximo permitido para esta liga, mas isso não é considerado um problema, pois o intervalo para esses elementos é muito estreito. Não foram encontradas impurezas no material, portanto este foi considerado viável para ser utilizado neste trabalho.

3.2 Caracterização Termodinâmica do Material

O intervalo de temperatura entre as linhas solidus e liquidus, faixa na qual o material apresenta equilíbrio entre as fases sólida e líquida, é uma informação essencial para a obtenção da temperatura de trabalho dos processos de tixoconformação, temperatura na qual o material se apresenta em estado de pasta semissólida com estrutura globular.

A obtenção das temperaturas solidus e liquidus foi feita de duas formas, um delas é o ensaios DSC (differential scanning calorimetry), como o próprio nome sugere, mede a diferença de energia necessária para aumentar a temperatura da amostra a ser estudada e de uma referência em função da temperatura. Ambas a amostra e a referência são submetidas ao mesmo programa térmico durante a análise, independente do evento térmico que esteja ocorrendo na amostra.

Portanto, os ensaios DSC têm como objetivo definir as temperaturas solidus e liquidus do material estudado, bem como todas as temperaturas intermediárias e as frações sólido-líquido

21

correspondentes. Os ensaios foram realizados utilizando um calorímetro diferencial modelo NETZSCH STA 409 C/CD. Para cada ensaio foi utilizado cerca de 15mg de material, sendo utilizadas taxas de aquecimento de 5, 10, 15 e 20oC por minuto até 700oC, e resfriamento até a temperatura ambiente com a mesma taxa.

Além das curvas de diferença de calor fornecido em função da temperatura, o software utilizado para a realização do ensaio DSC também fornece curvas de fração sólido-líquido, dessa maneira é possível encontrar o intervalo entre 40% e 60% de fração líquida, utilizados para se definir as temperaturas empregadas no tratamento térmico de globularização e as temperaturas de trabalho para os processos de tixoconformação.

Além dos ensaios DSC, foi feita simulação com o software Thermo-Calc®, para essa simulação foi utilizada como dado de entrada a composição obtida pela análise feita pelo espectrômetro de massa. Essa simulação fornece a curva de fração líquida em função da temperatura do material. Nessas simulações o software utiliza uma rotina de cálculos levando em consideração condições de solidificação dentro e fora de equilíbrio, utilizando o modelo de Scheil.

A partir das curvas de fração líquida em função da temperatura obtidas pela simulação do software, pode-se obter o intervalo de temperatura de trabalho para tixoconformação, ou seja, o intervalo de temperatura no qual o material contém entre 60% e 40% de fração líquida.

3.3 Lingotamento com Agitação Eletromagnética

O lingotamento com agitação eletromagnética teve como objetivo refinar a microestrutura do material do lingote inicial, o que torna a microestrutura mais próxima da estrutura globular, apesar de ainda permanecer visivelmente dendrítica, porém com dendritas bem finas.

22

Os lingotamentos com agitação eletromagnética foram feitos na Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp (FEM-Unicamp), utilizando uma lingoteira de cobre com cavidade de 30mm de diâmetro e 30cm de profundidade, envolta por uma bobina de 20cm de altura, acoplada a um sistema de atuação, que controla o nível da agitação eletromagnética, e um sistema de resfriamento que utiliza 11 l/min de água, para que o sistema não sobreaqueça durante a agitação eletromagnética. Mesmo com os 30cm de profundidade da lingoteira, por causa do tamanho reduzido da bobina, o tamanho útil do lingote é de 22cm, visto que são descartados 1cm do fundo e do topo da bobina.

O material foi cortado em pequenos pedaços, pesado e separado em porções de aproximadamente 2,0kg. Cada porção foi colocada num cadinho de carbeto de silício, e colocados em um forno resistivo a 700oC até chegarem à temperatura de 680oC. Em seguida, são adicionadas 20g de refinador de grão Ti5B1Al ao metal líquido para a realização do vazamento. Segundos antes do vazamento a agitação eletromagnética é acionada, e permanece ligada até a solidificação do material. Em seguida o material é retirado e resfriado ao ar até temperatura ambiente.

Inicialmente foram feitos dois lingotamentos, um com a bobina de agitação eletromagnética ligada, e outro com a mesma desligada. A partir do resultado obtido pela caracterização microestrutural desses materiais, decidiu-se utilizar o material produzido por agitação eletromagnética. Com esse resultado foi possível dar continuidade à produção dos lingotes com agitação eletromagnética. No total foram produzidos 20 lingotes com dimensões de 30mm de diâmetro e 220mm de altura. Durante o corte do material perdeu-se cerca de 15mm de material no total, fazendo com que sobre apenas 5 amostras de 30mm de altura por lingote, que foram utilizadas tanto no tratamento térmico de globularização quando nos ensaios de compressão a quente.

23

3.4 Caracterização Microestrutural

O material foi caracterizado microestruturalmente após o lingotamento e após o tratamento térmico de globularização. O primeiro passo para a caracterização microestrutural é a preparação metalográfica.

Primeiramente, para a caracterização microestrutural em preto e branco, amostras foram cortadas longitudinalmente do lingote em quatro partes, e embutidas em baquelite, em seguida foram lixadas com lixa d’água com granulometria de 320, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500; polidas com pasta de diamante 1µm e 0,25µm; a fase final do polimento foi feita em uma polidora vibratória da marca BUEHLER, modelo Vibromet 2, com amplitude de vibração 70% e utilizando sílica coloidal como abrasivo. O lixamento e o polimento foram feitos na FEM-Unicamp. Para esta liga não foi necessário utilizar ataque químico para revelar a microestrutura, pois está ficava visível sem a utilização do mesmo. Para a aquisição das imagens foi utilizado o microscópio modelo Leica DM ILM.

Para as medições do tamanho das partículas primárias empregou-se o Método dos Interceptos de Heyn, regido pela norma ASTM E112. As contagens de glóbulos foram realizadas em cinco áreas diferentes de cinco imagens para cada amostra. O fator de forma e de circularidade de cada amostra foi obtido com o uso do software ImageJ.

Para a caracterização microestrutural colorida, as mesmas amostras já polidas passaram por um ataque químico eletrolítico com deposição de HBF4 (ácido fluorbórico) em solução 1,8%

e tensão entre 25 e 28V, por aproximadamente 3 minutos, sob agitação moderada e constante. As amostras foram analisadas no microscópio óptico Leica DM ILM com câmera de alta definição acoplada, modelo MC120HD, utilizando filtros polarizadores para a obtenção de imagens coloridas dos grãos das amostras, fazendo com que grãos com a mesma orientação cristalina apresentem coloração semelhante, o que torna muito mais fácil sua identificação, e respectiva caracterização. A contagem de grãos foi realizada em cinco diferentes áreas de cinco imagens para cada amostra.

24

3.5 Tratamento Térmico de Globularização

O tratamento térmico de globularização tem como objetivo globularizar total ou parcialmente a estrutura do material estudado, o que permite estudar sua evolução morfológica, bem como relacionar sua estrutura a suas propriedades mecânicas e reológicas. Os tratamentos térmicos de globularização foram realizados na FEM-Unicamp, em um forno indutivo Norax 8kHz 25kW com uma bobina de 15cm de diâmetro e 10cm de altura, e um sistema de aquisição de dados. As amostras utilizadas no estudo da evolução morfológica foram amostras com 30mm de diâmetro por 30mm de altura, com um furo de 3,5mm de diâmetro e 25mm de profundidade deslocado do centro da amostra, para a inserção de um termopar para medir a temperatura da amostra durante o tratamento. O furo é deslocado do centro da amostra para que seja possível observar o centro da amostra na caracterização metalográfica dessas amostras, cortadas a partir dos lingotes feitos previamente com agitação eletromagnética.

O controlador do forno, do tipo E5CK da fabricante OMRON, permite que a taxa de aquecimento seja controlada automaticamente e com precisão de ±2oC/min, portanto, um dos objetos de estudo foi o efeito da taxa de aquecimento sobre a morfologia do material, bem como a temperatura final da amostra, e o tempo de permanência à temperatura final. Foram escolhidas então as taxas de aquecimento de 50oC/min e de 100oC/min, para poder estudar o efeito da variação da taxa de aquecimento. Para a escolha das temperaturas de tratamento térmico de globularização, foram escolhidas a maior e a menor temperatura acima do “joelho” porém abaixo de 60% de fração líquida, pois espera-se que essas temperaturas apresentem boa tixoconformabilidade, ou seja, bom comportamento reológico. Foram escolhidas as temperaturas de 575oC, e de 582oC. As amostras foram mantidas nessas temperaturas finais durante 0s, 30s, 60s e 90s, e resfriadas em água rapidamente após o decorrer de cada tempo de espera, dessa maneira pode-se observar o efeito do tempo de permanência a temperatura final na morfologia do material. Ou seja, foram utilizados quatro tempos de permanência a temperatura final, duas temperaturas finais, e duas taxas de aquecimento, totalizando dezesseis amostras.

25

Retiradas as amostras, essas passaram por preparação metalográfica para caracterização microestrutural, da mesma maneira que as amostras retiradas dos lingotes fundidos com agitação eletromagnética.

3.6 Ensaios de Compressão a Quente

Os ensaios de compressão a quente tem como objetivo determinar a viscosidade aparente do material estudado, fundamentados no trabalho de Laxmanan e Flemings (1980), que testaram esse procedimento em ligas Sn-15wt%Pb. Este procedimento se tornou praticamente padrão entre pesquisadores para a caracterização reológica de materiais no estado semissólido. Porém, neste presente trabalho, o método foi adaptado para se aproximar mais dos métodos de fabricação utilizados pela indústria. Ao invés de impor a força que a prensa deve exercer sobre a amostra e medir a deformação, será imposto o deslocamento da prensa (e consequentemente a deformação) e medida a força necessária, como explicado no Capítulo 2. Esse método foi escolhido por sua extrema facilidade operacional.

Os ensaios de compressão a quente foram realizados na FEM-Unicamp, utilizando uma prensa, e um forno indutivo Norax 8kHz 25kW com uma bobina de 15cm de diâmetro e 10cm de altura, e um sistema de aquisição de dados, o mesmo utilizado nos tratamentos térmicos de globularização.

As amostras utilizadas no estudo da evolução morfológica foram amostras com 30mm de diâmetro por 30mm de altura, ou seja, com as mesmas dimensões do tratamento térmico de globularização, mas dessa vez com um furo de 3,5mm de diâmetro e 25mm de profundidade no centro da amostra, pois para essas amostras a caracterização metalográfica não é necessária, novamente cortadas a partir dos lingotes feitos previamente com agitação eletromagnética.

As condições escolhidas para os ensaios de compressão a quente foram as mesmas dos tratamentos térmicos de globularização, exceto pelo tempo de espera de 90s, que foi excluído por conta dos resultados obtidos nos tratamentos térmicos de globularização. Ou seja, foram feitos

26

ensaios com taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, temperaturas finais de 575oC e 582oC, e tempos de espera de 0s, 30s, e 60s. As amostras foram comprimidas partindo de uma altura inicial de 30mm, até aproximadamente 6mm. Para esse ensaio foram utilizadas três réplicas para cada ensaio, totalizando 48 ensaios.

Os dados obtidos por esse ensaio foram força e deslocamento instante do ensaio, realizado com uma taxa de aquisição de mil pontos por segundo. Em posse desses dados foi possível construir as curvas de tensão x deformação para cada ensaio, e a partir dessas as curvas de viscosidade aparente x taxa de cisalhamento para cada ensaio realizado.

27

CAPÍTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capitulo são apresentados os resultados obtidos a partir dos experimentos realizados em cada etapa deste trabalho, como apresentado no Capítulo 3, bem como as discussões sobre os resultados apresentados. Os resultados serão apresentados na ordem apresentada no fluxograma da Figura 3.1 para facilitar a compreensão e discussão acerca das hipóteses levantadas para explicar cada um dos fenômenos observados.

4.1 Caracterização Termodinâmica

As análises empregadas nesta etapa do trabalho tiveram como objetivo à obtenção das temperaturas solidus e liquidus do material a ser utilizado, bem como as temperaturas de trabalho a serem empregadas no lingotamento, no tratamento térmico de globularização, e nos ensaios de compressão a quente do material estudado. Para este trabalho optou-se por dois métodos de obtenção dos dados necessários, dois dos mais utilizados na literatura: O método DSC, e simulação via software Thermo-Calc®. Os termogramas originários da análise DSC encontram-se na Figura 4.1.

Analisando a Figura 4.1, que corresponde aos termogramas do material utilizado para cada taxa de aquecimento utilizada durante o ensaio, podemos notar a ocorrência de um pico endotérmico entre as temperaturas de 522oC e 622oC, esse pico corresponde ao pico endotérmico de fusão do material, sendo que a temperatura de 522oC (início do pico endotérmico) corresponde à temperatura solidus do material, e a temperatura 622oC (final do pico endotérmico) corresponde à temperatura liquidus do material.

A partir dos termogramas dos ensaios DSC, pode-se obter a curva de fração líquida x temperatura ao integrar a área abaixo dos picos endotérmicos, possibilitando assim encontrar diretamente o intervalo de temperatura no qual é possível realizar processos de tixoconformação, como pode ser visto na Figura 4.2.

28

Com o auxílio da Figura 4.2, pode-se obter graficamente a temperatura liquidus, conforme indica a Tabela 4.1, e as temperaturas de trabalho: 575oC e 582oC, ambas acima do “joelho” da curva.

Nas simulações feitas utilizando o software Thermo-Calc® os dados de saída foram as curvas de fração líquida em função da temperatura, que foram obtidos a partir de simulações que usam como dado de entrada a composição do material, obtida pelo espectrômetro de massa, conforme descrito anteriormente no Capítulo 3, no item 3.2. Nessas simulações, o software empregou uma rotina de cálculos avaliando as condições de solidificação dentro do equilíbrio. Analogamente aos ensaios DSC, com as curvas de fração líquida em função da temperatura em mãos, determina-se as temperaturas correspondentes às frações sólidas de 40%, 60%, e a temperatura liquidus do material. Na Figura 4.2 encontra-se a curva de fração líquida em função da temperatura, fornecida pelo software Thermo-Calc® para o material estudado.

29

Figura 4.2: Curvas de Fração Líquida (%) em função da Temperatura (oC) para várias taxas de aquecimento, obtidas a partir do termograma e do software Thermo-calc®

A partir da curva gerada pelo software, pode-se retirar graficamente a temperatura

liquidus do material, bem como a taxa de fusão à 50% de fração líquida e o intervalo de

solidificação. Estes são apresentadas na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Temperaturas de trabalho encontradas para cada um dos métodos de caracterização da transformação sólido-líquido Taxa de Aquecimento (oC/min) Tl (oC) (𝑑𝑓𝑙/𝑑𝑇)𝑓𝐿=0.5 (K) ∆𝑇𝑠/𝑙 (K) 5 617 0.032 100 10 622 0.015 105 15 622 0.015 105 20 622 0.015 105 Thermo-Calc 639 0.059 149

Pode-se verificar que cada uma das curvas forneceu temperaturas bastante diferentes para a temperatura liquidus. Para a temperatura liquidus, os ensaios DSC apresentaram temperaturas inferiores às estimadas pelo software Thermo-Calc®, chegando a uma diferença de 22oC.

30

Antes do lingotamento foram testadas as temperaturas liquidus obtidas para se definir qual dos métodos de avaliação seria utilizado, e verificou-se que à 622oC o material já se encontrava totalmente fundido, o que invalidou a simulação via software Thermo-Calc®. Esse erro se deve principalmente à base de dados limitada do software, e à presença de eventuais impurezas no material que são inevitáveis na prática. Com isso decidiu-se adotar os valores dos ensaios DSC para as definições de temperaturas de trabalho, visto que os ensaios DSC não possuem desvio muito grande entre si.

A disparidade dos resultados do software Thermo-Calc®, provavelmente se deve ao fato de a base de dados do software consistir em transformações em equilíbrio, estas conseguem observar transformações que não tem tempo de ocorrer com taxas de aquecimento mais altas, que é o caso do DSC e dos ensaios práticos.

Feita essa escolha, pode-se também caracterizar o material seguindo os critérios discutidos no capítulo 2. Olhando primeiramente para o critério numero 1: O joelho se encontra dentro do intervalo de trabalho (Figura 4.2), o que garante que a quantidade de fase eutética é pequena o suficiente para que a formação de líquido seja controlável. Seguindo para o critério número 2: A sensibilidade da fração líquida à temperatura para a qual o material apresenta 50% de fração líquida é de 0.015K-1, ou seja, inferior ao limite estabelecido como limite superior de conformabilidade (0,03 K-1). E finalmente seguindo para o terceiro critério: O intervalo de solidificação do material foi de 105K, inferior aos 130K definidos como limite, o que sugere que o material seja pouco susceptível a trincas de contração durante sua solidificação.

Todos os critérios sugerem que a liga A318 seja viável para ser utilizada em processos de tixoconformação, do ponto se vista da termodinâmica, porém, esse critério é necessário, mas não suficiente para que se possa confirmar que o material possui boa tixoconformabilidade. Para isso, foram feitas as caracterizações que seguem.

31

4.2 Caracterização Microestrutural

Identificada a temperatura liquidus do material, deu-se início ao lingotamento do material, como descrito no capítulo 3, item 3.3. Inicialmente foi feita uma caracterização preliminar, para determinar se a matéria prima seria fundida com ou sem agitação eletromagnética, em seguida, deu-se início aos tratamentos térmicos de globularização, como descrito no capítulo 3, item 3.5. Em cada etapa, as amostras necessárias foram preparadas utilizando as técnicas metalográficas descritas no capítulo 3, item 3.4.

Para a escolha das temperaturas de tratamento térmico de globularização, foram escolhidas a maior e a menor temperatura acima do joelho porém abaixo de 60% de fração líquida, pois espera-se que essas temperaturas apresentem boa tixoconformabilidade, ou seja, bom comportamento reológico. Foram escolhidas as temperaturas de 575oC, e de 582oC.

A caracterizações microestrutural compreende caracterização dos lingotes com agitação eletromagnética; sem agitação eletromagnética; tratadas termicamente às temperaturas de 575oC e 582oC, com taxas de aquecimento de 50oC/min e 100oC/min, e tempos de permanência à temperatura final de 0s, 30s, 60s e 90s, fazendo as contagens de tamanho de partícula primária (tamanho de glóbulo), tamanho de grão, determinação do fator de forma (SF) e cálculos do RQI. Primeiramente são apresentados os resultados obtidos a partir das micrografias em preto e branco, e na sequência os resultados obtidos a partir das micrografias coloridas.

4.2.1 Caracterização microestrutural preliminar do material

Neste tópico são apresentadas as micrografias convencionais do material estudado nesse presente trabalho, a liga A318, na condição fundida (lingote sem agitação eletromagnética) e na condição fundida com agitação eletromagnética na Figura 4.3, e em seguida as micrografias coloridas, obtidas utilizando luz polarizada, do material nas mesmas duas condições na Figura 4.4.

32

A partir da Figura 4.3, já se pode perceber, que a agitação eletromagnética refina a microestrutura do material. Apesar de ambas apresentarem a microestrutura na forma de roseta, os braços dendríticos do material feito com agitação eletromagnética são visivelmente mais finos, isso resulta em espaçamento interdendrítico, e consequentemente tamanho de glóbulo primário, menor.

A agitação eletromagnética teve como efeito principal o refino da microestrutura. Como o processo é relativamente simples, e os resultados foram visíveis, optou-se por utilizar apenas o material feito com agitação eletromagnética para o desenvolvimento do restante desse presente trabalho.

Lingote sem agitação eletromagnética Lingote com Agitação eletromagnética

Figura 4.3: Micrografias convencionais do material lingotado sem e com agitação eletromagnética. Aumento de 200x.

O sistema de analise de imagens utilizando luz polarizada se mostrou eficiente para se determinar o tamanho dos grãos do material estudado. De acordo com conceitos metalúrgicos, cada grão de uma mesma fase se difere de outro devido a diferentes orientações cristalográficas. Por isso, depois de feito o ataque químico eletrolítico, sob luz polarizada, cada grão exibe uma coloração diferente baseada em sua orientação. Esse fenômeno facilita a localização de glóbulos

33

vizinhos que possuem a mesma orientação, e, portanto se comportam como um único grão quando conformados.

Nas micrografias coloridas pode-se notar também uma diminuição significativa do tamanho de grão, o que já era esperado, devido à agitação eletromagnética, que promove a quebra dos braços dendríticos, e cria mais núcleos de solidificação no material, esses grãos tendem a estar mais longe da parede do molde, e por isso estão sujeitos a menos troca de calor, e tem um crescimento menos direcional, ou seja, mais equiaxial, esses grão se encontram com os grãos crescendo a partir da parede do molde, o que resulta em uma microestrutura mais fina, como pode ser visto na figura 4.4.

Lingote sem agitação eletromagnética Lingote com Agitação eletromagnética

Figura 4.4: Micrografias coloridas do material lingotado sem e com agitação eletromagnética. Aumento de 100x.

Tabela 4.2 – Resultados das contagens de glóbulos e grãos e fator de forma das micrografias relativas ao material lingotado sem e com agitação eletromagnética

Condição de Ensaio Tamanho de glóbulo primário (µm) Tamanho de grão (µm) Fator de forma (SF) RQI Lingotamento sem agitação 46±9 161±18 0.38±0.14 0.08±0.01 Lingotamento com agitação 35±8 143±15 0.35±0.14 0.11±0.01