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a) Fundição
Processos de fundição
usualmente adotados para a fabricação de peças de ligas
de alumínio fundidas: fundição em areia (verde e estufada),
em moldes permanentes ou semipermanentes e em máquinas sob pressão
(“die casting”). Além desses processos, em menor escala
também são utilizados os processos de fundição
centrífuga, fundição de precisão (“investiment”
ou cera perdida), moldagem em gesso (“plaster”) e a moldagem
em casca (“shell molding”). A escolha do processo a ser utilizado
depende de vários fatores, sendo que muitos aspectos do projeto serão
influenciados pelo método de fundição. Os fatores técnicos
são o tamanho e a forma da peça, as características
da liga tais como as propriedades físicas e mecânicas, as espessuras
máxima e mínima de cada seção, a complexidade
do desenho da peça, as tolerâncias dimensionais e o tipo de
acabamento. Os fatores econômicos são o número de peças
idênticas a serem produzidas, a possibilidade de repetição
de encomendas e os custos relativos de usinagem e acabamento das peças
produzidas pelos diferentes processos.
Fundição
em areia: a leveza (baixa densidade) das ligas de alumínio,
que permite trabalhar com baixas pressões e também possibilita
fazer um socamento de areia mais leve. Por outro lado, a dificuldade que
as ligas de alumínio apresentam para se libertar dos óxidos
e expelir os gases do molde constituem-se em desvantagens, que exigem cuidados
especiais. Sendo assim, é muito importante maximizar a permeabilidade
do molde, permitindo o deslocamento do ar e dos outros gases à medida
que o metal líquido penetra na cavidade. Outra desvantagem na fundição
de ligas de alumínio é sua fragilidade a quente. Como a resistência
mecânica das ligas de alumínio durante a solidificação
é muito baixa qualquer obstáculo que signifique maior resistência
à contração resulta no surgimento de trincas. Outra
característica importante das ligas de alumínio é a
elevada contração de solidificação, que exige
que esta seja compensada, pois varia de 0,9 a 1,3 %. A areia utilizada na
fundição das ligas de alumínio pode ser natural ou
sintética. Para que a areia de fundição seja lisa o
suficiente é necessário que o teor de argila seja razoavelmente
elevado. No caso da areia natural o teor de argila deve estar entre 10 e
25 %, enquanto na areia sintética o teor de argila deve ser da ordem
de 3 a 10 %.
O molde deve ser projetado
de modo que os canais permitam o acesso à cavidade por vários
pontos diferentes, o que permite que seja possível o vazamento a
uma temperatura mais baixa e proporciona melhor seqüência de
solidificação. A altura de vazamento deve ser suficientemente
alta para minimizar a formação de escórias e o aprisionamento
de ar dentro do molde [1].
A fundição
em coquilha é o processo no qual o vazamento ocorre em um molde
permanente, em geral metálico, para peças de 8 a 10 kg. Podem
ser utilizados os métodos de vazamento por gravidade (“permanent
mold casting”) ou por pressão (“die casting”),
sendo que neste último utiliza-se uma máquina especial para
injetar o metal líquido na cavidade do molde (coquilha neste caso).
O material mais comumente utilizado para a fabricação de coquilhas
é o fero fundido cinzento. Normalmente utiliza-se um “verniz”
para proteger a cavidade da coquilha. O verniz é uma mistura à
base de caolim, silicato de sódio, grafita e água. A temperatura
de uso da coquilha deve estar entre 150 e 350 ºC. A temperatura ideal
de vazamento do metal líquido depende da complexidade do formato
da peça e é determinada experimentalmente. O uso do molde
metálico permanente somente se justifica quando a escala de produção
é suficientemente alta, ou seja, um número de peças
a fabricar com o mesmo molde igual ou superior a 2000 peças aproximadamente
[1].
Ante-ligas:
para a fabricação de ligas de alumínio por fundição,
é necessária a utlização das chamadas ante-ligas
como parte da matéria-prima. Ante-ligas são ligas com elevados
teores de determinados elementos que entram na composição
química do produto final, que são fabricadas por empresas
especializadas nesse mercado, com o objetivo único de seriem como
matéria-prima para a fabricação da liga final. O uso
desse tipo de matéria-prima se justifica pela sua uniformidade de
composição e pelo maior rendimento no aproveitamento do elemento
de liga na liga final, ou seja, menor perda de elemento de liga na fundição.
Adicionando-se o alumínio comercialmente puro sob a forma de lingotes
como parte da matéria-prima de fundição, dilui-se o
teor do elemento de liga. O uso das ante-ligas é particularmente
importante na fundição de ligas que contêm elementos
com ponto de fusão bem mais alto do que o alumínio, como é
o caso do cobre, do níquel, do manganês, do cobalto e do titânio,
entre outros [1].
Outro insumo fundamental
na fundição de ligas de alumínio é o fluxo
protetor, cujas principais funções são a proteção
contra a oxidação e a ação de eliminação
de gases, sendo que ambos os fatores são fundamentais para reduzir
a incidência de defeitos nas peças fundidas. As ligas de alumínio,
devido à elevada afinidade com o oxigênio e as levadas temperatura
de fundição, que favorecem a oxidação, possuem
elevada propensão à formação de óxidos.
As elevadas temperaturas também favorecem a absorção
de gases no metal líquido (Lei de Sieverts), gases esses provenientes
da decomposição do vapor d’ água presente na
atmosfera ou de hidrocarbonetos resultantes da queima dos gases de combustão.
Por esse motivo, recomenda-se que sejam evitadas temperatura de vazamento
muito superiores a 700 ºC. Além dos fluxos anti-oxidantes e
que eliminam gases do banho metálico, há os fluxos para recuperação
de alumínio da camada de banho ou do fluxo de cobertura e os fluxos
para refino de grão, estes últimos à base de titânio,
boro ou sódio [1].
b) Usinagem
A usinagem é
a operação que se segue à fundição, com
o objetivo de eliminar rebarbas e excessos de metal na peça fundida
e também ajustar as dimensões da peça às especificações
do produto final.
A seguir serão
abordas as propriedades mais importantes das ligas de alumínio no
que diz respeito às características da usinagem dessas ligas.
Densidade:
com uma densidade três vezes menor do que a dos aços e do latão,
as ligas de alumínio permitem operações com velocidades
bem mais elevadas e com menor desgaste do equipamento. Como os esforços
inerciais são menores, é possível realizar mudanças
de velocidade e manobras rápidas com menor vibração
do conjunto, o que favorece a obtenção de um bom acabamento
superficial. O aproveitamento de material durante a usinagem é três
vezes maior no caso do alumínio, sendo assim o custo de usinagem
por peça de alumínio é sempre inferior ao da usinagem
do latão e em alguns casos, quando a velocidade de corte for essencial,
por exemplo, o custo de usinagem do alumínio pode ser inferior ao
custo de usinagem do aço.
Ponto de fusão:
a temperatura de fusão das ligas de alumínio, situada entre
650 e 700 ºC pode ser atingida na interface de contato peça-cavaco-ferramenta,
o que pode levar à soldagem por fusão do alumínio à
ferramenta, “empastando” a mesma. Neste caso devem ser usados
recursos para reduzir o atrito e refrigerar a peça.
Módulo de
elasticidade: o módulo de elasticidade do alumínio é
cerca de 1/3 do módulo de elasticidade do aço e bem inferior
ao módulo de elasticidade do latão, o que torna necessários
certos cuidados para evitar ou minimizar distorções e erros
dimensionais nas peças. Basicamente estes cuidados consistem em:
- Usinar com avanços menores, reduzindo a carga de compressão
sobre a peça e evitando a flexão da mesma.
- Quando a peça for muito comprida, utilizar apoios (suportes) ao
longo do comprimento da mesma.
- Somente utilizar ferramentas com ângulos de corte agudos e bem afiadas,
ou seja, com gumes bem acabados e polidos.
- É necessário tomar cuidado no controle do aperto de fixação,
com o objetivo de evitar amassamentos e deformações. A peça
só deve ser fixada em suas seções mais sólidas
ou mais espessas. Em caso de uso de mordentes hidráulicos em equipamentos
automáticos, geralmente dimensionados para trabalhar com aços,
recomenda-se diminuir a pressão de trabalho.
Usinabilidade:
devido à possibilidade de usinar com altas velocidades, o tempo de
usinagem das ligas de alumínio é relativamente curto, com
excelentes resultados, principalmente para as chamadas ligas de corte fácil.
Condutibilidade
térmica: a alta condutividade térmica do alumínio
permite a rápida dissipação do calor gerado na usinagem,
o que favorece o trabalho em velocidades elevadas.
Coeficiente de
dilatação térmica: o coeficiente de dilatação
térmica do alumínio, que é bem maior do que o do aço
e o do latão, pode acarretar inconvenientes nos sistemas de fixação
e medição das dimensões.
Coeficiente de
atrito do alumínio: comparado com o coeficiente de atrito do
aço, o coeficiente de atrito do alumínio é alto, o
que resulta na redução do ângulo de cisalhamento durante
o corte, aumentando a energia de deformação necessária
para que ocorra o destacamento do cavaco. Esse fenômeno se agrava
quando o cavaco é contínuo, ou seja, com intenso contato com
a face da ferramenta. O uso de lubrificantes, de materiais de ferramenta
com menor coeficiente de atrito e dispositivos de quebra de cavacos, permite
reduzir o arrasto sobre a ferramenta, melhorando as condições
de corte. Também é necessário um bom acabamento na
afiação da ferramenta para reduzir o atrito [50].
c) Reciclagem
Atualmente uma parte
significativa das cargas de fundição (material a ser fundido
para fabricar as ligas) é constituída por “sucata”
(material reaproveitado). No caso das latas utlizadas como embalagem de
bebidas carbonatadas o índice de reaproveitamento chega próximo
a 90 % em países como Brasil, Japão e outros. A reciclagem
permite reduzir significativamente os custos de fabricação,
principalmente no que se refere aos custos de energia, que são drasticamente
reduzidos, assim como tem impactos muito positivos do ponto de vista ecológico,
com redução significativa da contaminação do
meio ambiente por lixo. E nos últimos anos os índices de reciclagem
de ligas de alumínio têm crescido muito, razão pela
qual abordaremos nesta seção alguns aspetos técnicos
e mesmo econômicos da reciclagem das ligas de alumínio.
Qualquer tipo e forma
de componente de alumínio pode ser reaproveitado por fundição
e processamento mecânico posterior. Entretanto, as perdas de fusão
da sucata atingem cerca de 10 %, devido à oxidação,
que é mais intensa do que no metal primário (lingote: só
1%). Já nos anos 50 a reciclagem de alumínio na Europa atingia
um índice de 35 %. O crescimento dos índices de reciclagem
dependem fundamentalmente da organização de uma eficiente
estrutura de coleta, classificação, separação
e manuseio da sucata. O surgimento da reciclagem na Alemanha data da Primeira
Guerra Mundial.
A nomenclatura nessa
área necessita de esclarecimentos iniciais. Hoje em dia fala-se ainda
da indústria de metal secundário, na qual se agrega o reprocessamento
dos produtos de alumínio já utilizados. O metal reaproveitado
fundido (secundário) apresentava um conhecido “downcycling”
(perda de rendimento) em comparação com o metal produzido
a partir de matéria-prima virgem (primário), havendo por isso
controvérsias quanto à necessidade e conveniência de
utilizá-lo. A expressão “downcycling” está,
de fato, associada a uma imagem negativa. Esta expressão encontra
sentido no seu uso devido à utilização de uma mistura
de cerca de 18 materiais plásticos (poliméricos) que existem
em um automóvel de passeio ainda hoje. Como no “downcycling”
de materiais poliméricos existe uma ainda maior variedade de materiais,
devido à necessidade de descartar produtos de baixo valor agregado,
como caixas de flores e etc, esse lixo problemático é direcionado
principalmente para vazadouros ou é parcialmente incinerado (ambas
as possibilidades, já atualmente, ou num futuro próximo, muito
problemáticas ou mesmo proibidas). Para cada uso do alumínio
reaproveitado através de novas refusões deve-se, ao contrário
e com razão, usar o termo reciclagem.
Recentemente, aliás,
na Europa, na América do Norte e, a seguir, no Japão, foram
promulgadas, ou anunciadas, medidas legais que regulamentam o reaproveitamento
de materiais como importantes produtos de consumo no ciclo produtivo de
novos produtos. O caso de reaproveitamento mais importante, além
das embalagens, é o da indústria automobilística, para
a qual incluindo-se os impostos, com os quais a s fábricas têm
que se preocupar, cerca de 90 % de todos os materiais dos automóveis
usados são levados ao reaproveitamento. Aqui deve-se diferenciar
entre o reaproveitamento de poucos produtos de alto valor e a autêntica
reciclagem.
Enquanto a reciclagem
de latas de bebidas para a produção de novas chapas para a
fabricação de novas latas dá bons resultados, a tarefa
de reaproveitamento de componentes de alumínio nos automóveis,
com a exigência de uma classificação de sucatas quanto
ao seu grau de pureza, aguarda uma solução técnica
e comercial. Até hoje os automóveis usados, como já
mencionado na literatura, são desmontados em peças com tamanhos
de até alguns centímetros. A atual geração de
automóveis ainda é dominada pelo aço, ou seja, precisam
de uma grande quantidade de componentes de aço para funcionarem.
Os vários metais leves e materiais poliméricos ainda possuem
uma prioridade baixa. Os componentes dos automóveis feitos com metais
não ferrosos podem, entretanto, serem separados através de
processos de separação gravimétrica, de modo que também
os metais leves dos automóveis podem ser separados para serem utilizados
em reciclagem.
A sucata de alumínio
dos automóveis tem um teor de silício relativamente alto (devido
aos componentes fundidos). Também o teor de magnésio, e o
de outros elementos de liga, sugeririam o uso dessa sucata para a fabricação
de novas peças fundidas. Com certeza devido à diminuição
das dimensões dos automóveis existe obrigatoriamente um aumento
do teor de ferro no metal secundário, de modo que este metal é
usado para a fundição de componentes com valor agregado relativamente
baixo, ou como complemento nas cargas de fundição de uma gama
mais ampla de componentes fundidos.
Finalmente deve ser
constatado que a facilidade com a qual o alumínio pode ser reciclado,
resultando em vantagens econômicas e ecológicas decisivas,
de modo que a sucata de alumínio já possui um valor por unidade
de massa relativamente elevado, diferentemente da sucata de outros produtos,
como os materiais ferrosos. E já desde o século XIX o valor
da sucata de alumínio era reconhecido e a mesma utilizada, sendo
o alumínio considerado o metal do futuro [2].
d) Extrusão
O processo de extrusão
consiste na transformação de um tarugo cilíndrico em
um perfil estrutural, através da compressão do tarugo de alumínio
contra uma matriz que contém um orifício através do
qual escoa o alumínio, que tem assim seu diâmetro reduzido,
transformando-se em um perfil, que pode ter diferentes tipos de aplicação
em diversos tipos de produtos.
Existem três
tipos principais de processo de extrusão: o mais comum e tradicional
é a chamada extrusão direta, no qual o tarugo é comprimido
contra uma matriz estática, através de cujo orifício
o metal escoa transformando-se em perfil. Na extrusão indireta o
tarugo estático é comprimido por uma matriz móvel através
de cujo orifício o metal escoa. Na extrusão com força
de atrito ativa, o container move-se com velocidade superior à do
tarugo, porém a matriz é estática, de modo que a força
de atrito entre o container e o tarugo tem o mesmo sentido do movimento
do container e do tarugo, ao contrário da extrusão direta,
na qual a força de atrito tem sentido oposto ao do movimento do tarugo.
Um processo especial
de extrusão é a chamada extrusão hidrostática,
na qual o tarugo é cercado por um líquido (óleo ou
metal líquido com baixo ponto de fusão) e é pressionado
(por todos os lados) contra a matriz, escoando o metal por seu orifício,
já sob a forma de perfil. A tensão aplicada deve ser superior
à tensão de escoamento do material e também pode ser
necessário um aquecimento no caso em que o fluido é metal
líquido. Também é necessário operar com cargas
mais baixas no início do processo.
Os parâmetros
de extrusão devem ser rigorosamente controlados, sendo esses parâmetros,
a capacidade da prensa de extrusão, a velocidade do êmbolo
que empurra o tarugo, a temperatura do tarugo, a temperatura da matriz,
a razão de extrusão (razão entre o diâmetro inicial
do tarugo e o diâmetro final do perfil), a complexidade do formato
do perfil (existência de reentrâncias e etc), a lubrificação
e o projeto da matriz (número de orifícios, ângulo da
matriz e comprimento do container).
Entretanto, as chamadas
variáveis fundamentais de engenharia são: pressão de
extrusão, geometria da zona de deformação, velocidade
de saída de extrusão, temperatura do produto extrudado, microestrutura.
Obs: a temperatura do extrudado, por sua vez, depende da temperatura do
tarugo antes do início do processo, da velocidade do êmbolo
que empurra o tarugo, da razão de extrusão (razão entre
o diâmetro do tarugo inicial e o diâmetro do produto extrudado
final) e o atrito (entre o tarugo e o container/matriz). A pressão
de extrusão é limitada pela capacidade da prensa, por um lado,
e, pelo outro, pela possibilidade de gerar defeitos no produto extrudado.
Quanto à geometria da zona de deformação, muito ainda
tem que ser feito no sentido de melhorar o projeto do ferramental. A velocidade
de saída depende da velocidade do êmbolo, mas é mais
importante do que esta. A temperatura do extrudado é importante para
evitar perdas, como as que são causadas pela fusão parcial.
A microestrutura do
extrudado depende basicamente da composição química,
do processo de fundição e conseqüentemente da microestrutura
do tarugo, havendo alguma influência do processo de extrusão
em si. A razão de extrusão afeta o atrito, e conseqüentemente,
o aquecimento. E há diferenças de temperatura entre o tarugo
e o container/matriz. É muito difícil determinar o coeficiente
de atrito. A velocidade influi na taxa de deformação, e assim
na deformação final. O aquecimento do tarugo, por mais cuidadosa
que tenha sido o tratamento térmico de homogeneização,
não consegue eliminar o gradiente de temperatura entre o interior
do tarugo e a superfície do mesmo. Quando os perfis extrudados possuem
maior diâmetro, ocorrem grandes deformações na superfície
e pouca deformação no interior dos mesmos. Quando os perfis
possuem menor diâmetro, a deformação é mais uniforme.
O aumento da temperatura de extrusão e o aumento da razão
de extrusão levam ambos a um aumento da ocorrência de recristalização.
A homogeneização tem por objetivo obter maior uniformidade
de composição química (eliminar ou minimizar a segregação),
maior uniformidade de microestrutura (dendritas, tamanho de grão,
partículas de segunda fase e etc) e a eliminação de
defeitos de fundição (porosidade entre outros) [51].
A extrusão é
talvez o processo mais empregado para a conformação das ligas
de alumínio, que possuem grande facilidade de serem extrudadas, garantindo
significativa redução de custos e alta produtividade quando
se emprega esse tipo de processo de fabricação. A qualidade
do produto extrudado final em geral é muito boa, desde que se tome
os devidos cuidados no controle dos parâmetros operacionais do processo
anteriormente abordados. Entretanto, devido à importância do
tema, será feito um breve relato sobre os principais defeitos resultantes
do uso de parâmetros operacionais inadequados durante o processo de
fundição:
1) Defeitos superficiais:
a) trinca a quente (“hot shortness”): causada por temperaturas
muito elevadas, que provocam fusão localizada no material, gerando
trincas devido à perda de resistência mecânica. b) arrancamento
(“tearing’”) e acúmulo (“pick up”)
de material: causados pela fratura localizada em conseqüência
das imperfeições da camada estacionária de alumínio,
retida no container e que adere à matriz. Assim como o trincamento
a quente, o arrancamento e o acúmulo de material (caso mais extremo
do acúmulo de material) são causados por uma excessiva temperatura
emergente (temperatura de saída do produto extrudado). O acúmulo
de material pode ser minimizado por uma homogeneização eficiente,
que melhore a configuração (refine) as partículas intermetálicas
ricas em ferro.
2) Anel de óxido
(“coring”): como na extrusão a quente não lubrificada
a deformação não é uniforme, o centro do tarugo
move-se mais rapidamente do que a periferia. Depois que boa parte do tarugo
foi extrudada, sua superfície move-se para o centro e começa
a fluir pela matriz. Como esta porção do material superficial
contém a casca oxidada, formada durante o vazamento durante a fundição
do tarugo e durante a homogeneização e o reaquecimento, esse
tipo de fluxo provoca o surgimento de linhas internas de óxido (“coring”),
que não permitem a soldagem das partes adjacentes de material a esta
parte do material. A única maneira de evitar o surgimento desse tipo
de defeito é descartar cerca de 4 a 15 % (dependendo do tipo de tarugo)
da porção final do material extrudado. Esse material descartado
constitui o chamado “talão” do tarugo. Esse problema
pode ser agravado pela presença de lubrificantes, que facilitam o
movimento do material da superfície, além de favorecer o aprisionamento
dos resíduos de lubrificante no alumínio.
3) Solda transversal:
na pratica habitual de extrusão usa-se uma câmara de solda
ou anel de alimentação para manter a parte traseira do tarugo
anterior na matriz, provendo uma superfície na qual o próximo
tarugo possa se soldar. Se as superfícies que se soldam estivessem
completamente limpas, não haveria nenhum problema com este processo,
entretanto, na prática as extremidades dos tarugos estão sempre
oxidadas, dando origem a uma lâmina oxidada dentro do perfil, que
representa uma descontinuidade dentro do material. Para evitar esse problema,
principalmente nos chamados perfis estruturais, para os quais os requisitos
de resistência mecânica são mais rígidos, é
necessário descartar todas a extensão do perfil que contem
a solda transversal. Outro tipo de solda transversal, a solda transversal
dupla é produzida pela prática de corte duplo na tesoura de
cisalhamento a quente. Cada extensão extrudada possuirá então
duas soldas transversais, que podem ser toleradas somente nos perfis não
estruturais, para os quais os requisitos de resistência mecânica
são menos rígidos.
4) Solda longitudinal:
ocorre principalmente nos perfis tubulares, nos quais sua formação
é mais complexa do que nos perfis sólidos, sendo formada uma
solda transversal diferente em cada uma das partes da matriz. O principal
efeito acarretado pela solda longitudinal é a diminuição
é a diminuição localizada da resistência mecânica,
causada pela contaminação da solda transversal causada pela
contaminação da solda transversal nos perfis tubulares.
5) Bolhas: as bolhas
podem aparecer em qualquer posição do perfil, associadas a
todos os tipos de defeitos anteriormente descritos, ou devido ao ar aprisionado
ou a lubrificantes voláteis. Entretanto, o tipo mais comum é
aquele que aparece no início da extrusão, devido principalmente
ao ar aprisionado durante a entrada do tarugo na bucha. Para evitar esse
problema existe o chamado ciclo degaseificador, que consta de uma pequena
movimentação do container após o início da pressão
do pistão, permitindo a saída de ar.. Cuidados para reduzir
a incidência de bolhas incluem a redução da diferença
de diâmetro entre o tarugo e a bucha o tanto quanto possível,
e a introdução de um gradiente de temperatura ao longo do
comprimento do tarugo. Esta medida faz com que o ar aprisionado se acomode
no talão. Poros em excesso nos tarugos também são causa
de bolhas, pois atuam como sítios de nucleação do hidrogênio
gasoso. Bolhas de final de extrusão podem ser causadas por alguns
dos problemas citados anteriormente, como também podem ser causados
pelo “coring” ou pela solda transversal. Para reduzir a ocorrência
desses problemas, a solução é aumentar a extensão
do talão. O uso de disco de pressão muito sujo de alumínio
também pode ser causa do aparecimento de bolhas, por não permitir
uma saída de ar adequada.
6) Camada superficial
de grãos grosseiros: os produtos extrudados podem resistir à
recristalização, mesmo quando sujeitos às temperaturas
de solubilização. Por outro lado, pode-se encontrar grãos
crescidos recristalizados numa estreita camada logo abaixo da superfície.
A explicação é o fato de que a deformação
redundante é muito mais concentrada nas camadas superficiais dos
produtos extrudados do que na região mais interna do perfil. Este
encruamento efetivo pode ultrapassar o valor do encruamento crítico
necessário à recristalização, para uma dada
combinação de tempo e temperatura, recristalizando a superfície
e mantendo o interior do produto deformado. Nessas condições
os grãos recristalizados são muito grosseiros. Este problema
pode ocorrer principalmente em ligas com a presença de inibidores
de recristalização (dispersóides contendo manganês
ou cromo), que podem sofrer um crescimento de grão heterogêneo.
7) Efeito “casca
de laranja”: esse efeito pode aparecer em qualquer produto de alumínio
que for esticado, estampado ou embutido. No caso da extrusão o perfil
sofre esticamento durante a prensagem (exercido pelo “puller”
(tracionador) da prensa extrusora) e após a extrusão (na esticadeira).
O nível de gravidade do defeito está relacionado com o tamanho
de grão do perfil. Para os grãos refinados há pouco
ou nenhum aspecto de “casca de laranja”, mas grãos grosseiros
terão exatamente esse aspecto. Este defeito é gerado porque
os grãos da superfície apresentam uma condição
de deformação diferente daqueles do interior do perfil: não
sofrem tanta restrição à deformação,
ou seja, podem se deformar mais livremente, de acordo com os mecanismos
básicos de deslizamento. Estes mecanismos produzem quantidades variáveis
de deformação, dependendo da orientação dos
grãos em relação aos seus vizinhos e das deformações
impostas. A deformação não-uniforme de grão
para grão produz o efeito “casca de laranja”. Este defeito
pode ser amenizado facilmente pela diminuição da tração
do “puller” (dispositivo para retirada do perfil por tracionamento
leve) e da quantidade de deformação gerada na esticadeira.
e) Laminação
Juntamente com a extrusão,
a laminação é um dos mais importantes processos mecânicos
de fabricação de ligas de alumínio, podendo levar à
produção de semi-elaborados sob a forma de chapas e tiras,
que podem ser utilizadas industrialmente, ou serem usadas como matéria-prima
para os chamados processo de conformação de chapas, como o
embutimento, a estampagem e o estiramento. Inicialmente serão apresentadas
definições básicas de laminação, laminação
a quente e laminação a frio, e em seguida serão abordados
os aspectos principais da laminação a quente e da laminação
a frio das ligas de alumínio.
Laminação:
processo de deformação plástica dos metais no qual
o material passa entre rolos, com altas tensões compressivas devido
à ação de prensagem dos rolos, e com tensões
cisalhantes superficiais resultante da fricção entre os rolos
e o metal. Laminação a quente: etapa inicial do processo de
laminação no qual o material é aquecido a uma temperatura
elevada (no caso de ligas de alumínio entre 400 e 500 ºC) para
que seja realizado o chamado desbaste dos lingotes ou placas fundidas. Laminação
a frio: etapa final do processo de laminação que tem por objetivo
o acabamento do metal, no qual o mesmo, inicialmente recebido da laminação
a quente como chapa grossa, tem sua espessura reduzida para valores bem
menores, normalmente à temperatura ambiente.
Laminação
a quente de ligas de alumínio: a matéria-prima para a
produção de laminados a quente de ligas de alumínio
são placas fundidas com 200 a 600 mm de espessura, 600 a 2200 mm
de largura e 4500 a 8000 mm de comprimento. A massa dessas placas varia
de 1,5 t a 28 t. Como conseqüência do resfriamento indireto durante
a fundição semicontínua as placas apresentam uma superfície
com solidificação irregular, caracterizada por uma microestrutura
heterogênea com segregação. Por este motivo é
necessária a fresagem dessa camada superficial, sendo também
necessário descartar as extremidades da placa, no que se refere ao
comprimento da mesma.
A microestrutura da
placa fundida com solidificação relativamente rápida
apresenta uma verdadeira rede de partículas intermetálicas
e segregação, o que resulta em trabalhabilidade relativamente
limitada no processamento posterior. Entretanto, este problema pode ser
minimizado através da realização de um tratamento térmico
de homogeneização. O aquecimento reduz a resistência
mecânica, favorecendo a operação de laminação,
realizada entre 400 e 500 ºC.
Atualmente na indústria
do alumínio utilizam-se laminadores a quente reversíveis,
que permitem reduções de espessura da ordem de 15 a 30 mm
por passe, o que, após vários passes, permite uma espessura
final de laminado a quente da ordem de 2,5 a 8 mm.
A laminação a quente destrói completamente a estrutura
bruta de fusão através da deformação a quente
e da recristalização dinâmica e da recristalização
estática, que permitem o refino de grão. Entretanto, após
a laminação os grãos ficam alongados de acordo com
a direção de laminação. Devido ao calor gerado
durante a deformação, mesmo após o último passe
de laminação a quente ocorre recristalização
estática.
O conhecimento das
modificações microestruturais e das condições
de distribuição dos elementos de liga em função
do ciclo de deformação a quente tem uma grande influência
não só sobre a subseqüente laminação a
frio, inclusive sobre os recozimentos intermediários, como também
sobre as propriedades mecânicas do produto final. As principais características
metalúrgicas afetadas são: tamanho de grão, textura,
resistência mecânica, estabilidade térmica, tendência
à recristalização, trabalhabilidade a frio e acabamento
superficial.
Laminação
a frio de ligas de alumínio: Além de permitir a redução
de espessura das chapas, a laminação a frio, que vem após
a laminação a quente, permite o aumento da resistência
mecânica das chapas através do encruamento do material. Na
laminação a frio o material é laminado de forma contínua,
devido à ação de uma série de quartetos de rolos,
que gradativamente reduzem a espessura da chapa. Em cada quarteto, enquanto
os dois rolos de contato (superior e inferior), de menor tamanho, agem diretamente
sobre a chapa, os grandes rolos de compressão giram sobre os rolos
de contato. Deste modo, minimizando a carga sobre a chapa laminada, este
sistema permite reduzir ao máximo os danos mecânicos à
superfície do produto laminado.
A laminação
a frio de tiras produz superfícies mais ásperas do que as
produzidas nas chapas, nas quais ocorre mudança de 90 º na direção
de laminação, reduzindo o efeito dos rolos de laminação
sobre a superfície da chapa. Quando é necessário obter
excelente acabamento superficial (brilho de polimento) a chapa é
submetida à ação de rolos adicionais de acabamento
com pequeno grau de redução de espessura, que promovem o polimento
da chapa. Este efeito é ainda acentuado com o uso de rolos de laminação
polidos adicionais. A laminação a frio produz chapas de ligas
de alumínio com espessuras da ordem de 0,05 mm. Tiras de alumínio
comercialmente puro podem ser obtidas com espessuras de 0,004 a 0,007 mm.
Quanto maior a redução de espessura evidentemente maior o
custo de laminação e a necessidade de realizar um maior número
de recozimentos intermediários entre cada etapa de laminação,
de modo a amolecer o material deformado em grau compatível com o
prosseguimento da laminação.
Os produtos laminados
a frio podem ser utilizados comercialmente como chapas ou podem ser usados
como matéria-prima nas operações de conformação
posterior, como o embutimento que produz as latas para acondicionamento
de bebidas a partir de chapas laminadas [2].
f) Anodização
Entende-se como anodização
um processo de acabamento superficial aplicado aos produtos de ligas de
alumínio, geralmente extrudados, eventualmente também laminados,
que consiste em aumentar a espessura da camada superficial de óxido
de alumínio, que por ser muito aderente e proteger o material contra
a ação corrosiva do ambiente, ao ter sua espessura aumentada
permite o aumento da resistência à corrosão, além
de um excelente acabamento superficial, essencial no caso dos perfis de
liga de alumínio 6060 e 6063 usados com fins arquitetônicos.
A oxidação
anódica consiste em colocar a peça de alumínio como
anodo numa célula com eletrólito com baixo pH e promover assim
o reforço da camada oxidada. A espessura da camada anodizada varia
entre 4 e 100 micra e influi na dureza, na resistência à corrosão
e na capacidade de isolamento elétrico, entre outras propriedades.
Essa película anodizada é ainda capaz de absorver corantes,
lubrificantes, tintas, lacas e etc.
A dureza da película
é muito influenciada pela tensão de anodização,
aumentando com o aumento da mesma. No que se refere à estrutura da
camada anodizada, esta é constituída inicialmente por óxidos
de alumínio amorfos, que têm sua cristalinidade gradativamente
aumentada com o envelhecimento progressivo. A camada não é
uniforme e sim estratificada e depois de formada pode ser modificada por
aquecimento, colorimento, selagem dos poros em água quente ou com
determinadas soluções.
Os eletrólitos de anodização podem conter: ácido
crômico, ácido oxálico e ácido sulfúrico.
f) Soldagem
Aqui a ênfase
não será dada à descrição dos processos
de soldagem de alumínio, que não faz parte do escopo deste
trabalho, mas sim aos efeitos das diversas condições de soldagem
dos principais processos sobre as características e propriedades
das ligas de alumínio, ou seja as principais aspectos da soldabilidade
das ligas de alumínio.
A seguir apresentamos
uma resenha dos principais tipos de defeitos de solidificação
e alterações microestruturais presentes em ligas de alumínio
(principalmente Al-Mg-Si) soldadas por diferentes processos. Posteriormente
serão abordadas as características específicas do processo
de soldagem por centelhamento e suas conseqüências sobre as propriedades
do material.
Defeitos de solidificação:
Os principais tipos de defeitos de solidificação encontrados
em ligas de alumínio soldadas são : porosidade, falta de penetração,
fusão incompleta, trincas, reforço excessivo do cordão
de solda, desalinhamento e alterações e alterações
microestruturais [52,53].
Porosidade
As ligas de alumínio em geral apresentam acentuada tendência
ao aparecimento de porosidade na junta soldada, a qual pode ser tolerada
caso o tamanho (diâmetro médio) dos poros não seja elevado
e os mesmos não estejam alinhados ou interligados (o que favorece
o surgimento de trincas), o que depende dos requisitos necessários
para o uso de um determinado produto : a porosidade é ainda mais
nociva em condições de carregamento dinâmico [2].
A porosidade pode ser
causada por diferentes fatores: a) elevada fluidez do metal líquido
(devido à grande diferença entre a temperatura líquidus
e a temperatura solidus e às elevadas temperaturas atingidas durante
o processo de soldagem), b) a presença de gases (principalmente hidrogênio,
proveniente de contaminantes presentes na superfície do metal ou
mesmo da umidade do ar), fator que é agravado por uma velocidade
de solidificação elevada que não permita que os gases
escapem do metal líquido durante a solidificação e
por uma velocidade de soldagem muito baixa, que permita maior absorção
dos mesmos durante a soldagem, c) Aprisionamento de ar que surge no metal
líquido durante a fusão ou, em alguns casos, do metal vaporizado,
que não conseguem escapar durante a solidificação,
d) contração do metal associada à solidificação
[51].
No caso da soldagem
por centelhamento, para a qual vários estudos já demostraram
que o uso de atmosferas protetoras não traz nenhum benefício
[54], é mais provável que a presença dos poros não
esteja relacionada com a uma eventual presença de hidrogênio
e outros gases provenientes de contaminantes, e sim ao aprisionamento do
metal líquido e à efervescência gerada pela vaporização
do metal durante o centelhamento.
A porosidade pode ser
classificada em macro e microporosidade, dependendo da dimensão dos
poros, que em geral têm formato aproximadamente esférico. Também
pode ser classificada como primária, quando surge entre as dendritas
durante a solidificação, ou como secundária quando
surge durante o reaquecimento. Neste caso em geral os poros são mais
finos e mais homogeneamente distribuídos, sendo portanto menos nocivos
[2].
Ao contrário
das trincas, o efeito da porosidade como agente causador de queda de dutilidade
e tenacidade à fratura não é tão acentuado [55,56],
a não ser que os poros sejam muito grandes e estejam alinhados e
em grande quantidade [53].
A falta de penetração,
fusão incompleta, o reforço excessivo e o desalinhamento atuam
de modo similar, agravando a concentração de tensões
[52].
Outros defeitos que
efetivamente deterioram as propriedades mecânicas do material, são
as trincas e as alterações microestruturais, que por este
motivo também serão abordadas com ênfase.
Trincas de solidificação
As trincas que surgem na zona termicamente afetada (ZTA) de ligas Al-Mg-Si
soldadas pelos processos TIG e MIG são causadas basicamente pela
ausência de líquido devido à solidificação,
que com as tensões associadas à soldagem provocam o trincamento.
A formação de eutéticos de baixo ponto de fusão
nos contornos de grão devido à segregação dos
elementos de liga e impurezas, também acarreta a fragilização
dos mesmos Os fatores que afetam a ocorrência de trincas de solidificação
em ligas Al-Mg-Si são : composição química do
metal de base e do metal de adição (principalmente), aporte
térmico, penetração do cordão de solda e as
tensões atuantes [57].
Quanto à composição
química, sabe-se que as ligas Al-Mg-Si são sensíveis
ao trincamento na ZTA, quando soldadas pelo processo MIG, o que torna recomendável
o uso de ligas Al-Mg e Al-Si como metais de adição, com o
objetivo de minimizar a ocorrência desses defeitos [58]. Mesmo com
esse recurso, não é possível evitar totalmente o trincamento:
ocorrem trincas longitudinais na liga 6061 soldada com Al-Mg , que não
surgem na mesma liga soldada com Al-Si: o silício aumenta a fluidez
do metal líquido, evitando a escassez do mesmo durante a solidificação,
que levaria ao trincamento (trinca de solidificação). Por
outro lado, as trincas transversais também aparecem no material soldado
com Al-Si, até mesmo com mais severidade neste caso. Isso se deve
a dois motivos: o silício reduz a temperatura solidus, aumentando
o intervalo de solidificação (diferença entre temperaturas
solidus e liquidus), o que favorece a ocorrência desse tipo de trinca
[58]. Nesta figura podemos observar que quanto maior o aporte térmico,
maior o efeito de redução da temperatura solidus provocada
pela presença do silício proveniente do metal de adição,
exatamente ao contrário do que ocorre com o magnésio. Além
disso, a maior fluidez aumenta a penetração de metal líquido
na ZTA, em distâncias maiores, o que também contribui para
o surgimento dessas trincas. Quando a mesma liga (6061) é soldada
pelo processo TIG, é a composição química do
metal de base que assume importância primordial: os principais elementos
de liga, Mg, Si e Cu favorecem o trincamento, ao passo que elementos secundários,
como Mn, Cr e V, minimizam o trincamento por refinarem o grão [59].
Quanto ao aporte térmico,
a sua elevação aumenta a severidade do trincamento, tanto
para o processo MIG como para o processo TIG uma vez que o calor favorece
o crescimento de grão, que aumenta à susceptibilidade ao trincamento.
Verifica-se também, que as trincas somente surgem para valores de
aporte térmico iguais ou superiores a um valor crítico (que
depende da liga, do processo e seus parâmetros operacionais). Este
efeito do aporte térmico manifesta-se de modo muito semelhante ao
observado para a deformação: o aumento da deformação
(no ensaio Varestraint) acima de um valor crítico (abaixo do qual
não surgem trincas) agrava o trincamento. Do mesmo modo, este fenômeno
repete-se para diferentes situações. Além disso, deve-se
mencionar que a deformação e o aporte térmico têm
efeito sinérgico: a superposição de ambos agrava o
trincamento. Isto também repete-se para diferentes casos [59].
Alterações microestruturais
As principais
alterações microestruturais associadas à soldagem de
ligas de alumínio endurecíveis por precipitação
são a dissolução e o crescimento de precipitados (superenvelhecimento),
que ocorrem em diferentes regiões do material soldado, dependendo
das temperaturas atingidas em cada região [60-62]. Neste aspecto,
de um modo geral pode-se dizer que as modificações microestruturais
sofridas pelas ligas Al-Mg-Si soldadas guardam certas semelhanças
com aquelas observadas nos sistemas Al-Cu e Al-Zn-Mg [63,64]. Entretanto,
a extensão e a localização dessas alterações
dependem não só do tipo de liga, como também do processo
empregado [60,62].
Mesmo assim, tanto
para a liga 6061 soldada pelo processo MIG [61], 6013 soldada por TIG [60,62]
ou a laser [62], como para a 6111 soldada a laser [50], existem quatro regiões
distintas : zona de fusão, zona parcialmente fundida, zona termicamente
afetada (ZTA) e metal de base (não afetado). Para o processo a laser,
onde há grande concentração do calor de solda, a ZTA
é mínima [62]. Nos processos MIG e TIG, a ZTA é bem
mais extensa e apresenta grandes variações de dureza com a
distância da zona de fusão [61,62], associadas aos fenômenos
que ocorrem com os precipitados anteriormente citados.
A microestrutura da zona de fusão é caracterizada pela presença
de grãos colunares resultantes da solidificação direcionada
(crescimento epitaxial de dendritas) : a temperatura máxima atingida
nesta região é superior à temperatura liquidus da liga.
Na região parcialmente fundida, a temperatura máxima atingida
situa-se entre a temperatura solidus e a liquidus [62]. A microestrutura
resultante é típica de uma região de transição.
Na ZTA a temperatura atingida é inferior à temperatura solidus.
Na liga 6061 soldada
por MIG verifica-se que na ZTA inicialmente ocorre uma queda de dureza,
à medida que se aproxima da zona de fusão, até que
se atinge um valor mínimo de dureza. Esta queda está associada
ao crescimento dos precipitados intermediários ?” (início
do superenvelhecimento) [61]. Neste ponto de mínimo local de dureza
ocorre a maioria das rupturas em ensaios de tração [2]. Em
seguida ocorre um aumento de dureza associado ao aparecimento de precipitados
?’ [61]. Depois verifica-se uma queda de dureza mais acentuada próximo
à linha de fusão, associada à dissolução
(reversão) de todos os precipitados [61]. Já dentro da zona
de fusão ocorre um modesto aumento de dureza causado pelo efeito
de endurecimento por solução sólida, seguido por nova
queda de dureza na zona de fusão mais distante da linha de fusão
[61].
Na liga 6013 soldada
pelo processo TIG, o perfil de dureza é muito parecido com o da liga
6061 soldada por MIG. Para o processo de soldagem a laser ao contrário
de MIG e TIG, só há mínimo de dureza dentro da zona
de fusão. O mesmo ocorre para a liga 6111 soldada a laser. Este fato
é explicado pela dissolução total dos precipitados
intermediários endurecedores na zona de fusão e pelo fato
de que como neste tipo de processo ocorre concentração de
calor no ciclo térmico de soldagem, de tal modo que a ZTA é
muito mais estreita, não possuindo extensão suficiente para
que seja visualizada a variação de dureza e microestrutura
(precipitados) observada nos processos anteriores. Esta característica
também é observada em ligas de alumínio endurecíveis
por precipitação soldadas por centelhamento, pois é
comum aos processos onde ocorre concentração de calor, de
modo que a ZTA seja estreita [50, 60].
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