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Universidade Federal de São Carlos – UFSCar

Relatório de Estágio – Laboratório de Fundição

Período: Julho – Dezembro 2008

”Conformação por spray da liga de alumínio série 7xxx a partir de cavacos de usinagem”

Departamento de Engenharia

de Materiais - DEMa

Laboratório de Fundição

DEMa

___________________

Claudemiro Bolfarini

Professor Orientador

_________________

Milton L. Do Lago

Mestrando

__________________

André L. R. Beletati

Estagiário

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Índice

Introdução 3

Desenvolvimento dos Trabalhos 3

A Liga 3

As Ligas de Alumínio 3

A Série 7xxx 4

As Ligas 7075 5

O Processamento 5

Conformação por Spray 5

Preparação Amostral 8

Metalografia 8

Conclusão 12

Referências Bibliográficas 13

Índice de Figuras

Figura 1 – Esquematização do Processo de Conformação por Spray_______________ 7

Figura 2 - Método de Lixamento da Amostra em Relação à Granulometria da Lixa ___ 9

Figura 3 - Amostra após Lixamento. Etapas de Polimento e Ataque Químico _______ 10

Figura 4 – Representação da Posição de Retirada das Amostras do Fundido Obtido

(Gaussiana) _______________________________________________________________ 11

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Introdução

Foi realizado um estágio laboratorial em conjunto com um mestrando da área

de materiais metálicos no Laboratório de Fundição do Departamento de Engenharia de

Materiais – DEMa – em um trabalho denominado ”Conformação por spray da liga de

alumínio série 7xxx a partir de cavacos de usinagem”.

Esse projeto visava a pesquisa de um processo de conformação de ligas de

alumínio utilizadas na indústria aeronáutica, de forma que houvesse uma redução na

densidade da liga, gerando redução de peso do produto final, sem alteração das

propriedades mecânicas.

Nos 6 meses de estágio, diversas tentativas foram realizadas, para a

adequação dos parâmetros de processo; nessa etapa do trabalho, durante a qual o

estágio foi realizado, a preparação de amostras para microscopia foi de extrema

importância, pois, a observação e mensuramento da porosidade presente no fundido

se tratava de um dos focos do estudo.

O outro foco do trabalho era o de estudar a possibilidade de se converter um

processo totalmente experimental, como esse de fabricação de peças por

conformação por spray, em um processo de escala industrial.

Portanto, durante os 6 meses de estágio foram estudados: o método de

fundição, que é a conformação por spray, os métodos de preparação metalográfica de

amostras (lixamento, polimento e ataque químico) e a análise óptica dessas amostras.

Desenvolvimento dos Trabalhos

A Liga

As Ligas de Alumínio

O alumínio é um dos metais mais versáteis existentes na atualidade. Encabeça

a lista dos metais não-ferrosos como o material mais popular do mundo devido à

variedade de aplicações possíveis de sua utilização, com uma série de vantagens

metalúrgicas inclusive sobre o aço, destacando-se entre elas:

• Leveza: Importante diferencial na construção de estruturas e equipamentos,

com destaque principalmente nas aplicações de transporte onde o peso da

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estrutura/equipamento impacta no consumo de recursos energéticos

(combustível).

• Resistência à Corrosão: Tanto na construção naval como na construção de

tanques e silos, a resistência à corrosão oferecida pelo alumínio é uma

enorme vantagem, tanto na concepção dos projetos até a construção dos

equipamentos.

• Conformabilidade: A facilidade de conformação do alumínio, tanto em

processos a frio como em processos à quente, o faz uma alternativa

geralmente de grande aplicabilidade.

• Diversidade de Ligas e de Formas: A diversidade de possibilidades

metalúrgicas para se produzirem ligas com maior ou menor grau, de

qualquer uma de suas propriedades físicas, mecânicas, aliado à infinidade

de formas semi-acabadas que o alumínio pode assumir (barras, arames,

perfis, chapas, placas).

A arte da metalurgia consiste em criar ligas a partir de um metal base, através

da adição de determinadas quantidades de outros elementos, de modo que sejam

obtidas melhorias ou modificações em algumas propriedades do metal base.

No caso do alumínio, existem alguns elementos metálicos que - isoladamente

ou em conjunto - modificam propriedades específicas do alumínio. Esta é a base da

classificação das “Séries” ou “Famílias” das ligas de alumínio. A adição de outros

elementos - seja para estabilizar metalurgicamente os elementos de liga que

prevalecem na família, sejam para refinar as propriedades que se desejam atingir - é o

que caracteriza a ampla variedade de ligas, com propriedades mecânicas diversas,

cada uma específica para uma determinada gama de aplicações.

A Série 7xxx

As ligas desta série são as ligas que apresentam as melhores características

em termos de resistência mecânica, e podem ser subdivididas em duas categorias:

- Sem adição de Cobre

- Com adição de Cobre

As ligas desta família com adição de cobre são as ligas mais fortes de alumínio

que podem ser produzidas, em termos de resistência mecânica, na têmpera T6

(envelhecimento). São largamente utilizadas na indústria aeroespacial, na fabricação

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de moldes para conformação de termoplásticos e em estruturas onde se necessita de

leveza e alta resistência mecânica.

As Ligas 7075

As primeiras ligas 7075 foram desenvolvidas pela companhia japonesa de

metal Sumitomo em 1936. Essas ligas eram utilizadas principalmente para os

“Lutadores dos ares”, aeronaves pertencentes à Marinha Imperial Japonesa nos

tempos de pré-guerra.

As ligas 7075 são extensamente utilizadas para a construção de estruturas de

aviões, como asas e fuselagens. Sua grande resistência e baixo peso são também

desejáveis em outros campos. Os componentes de bicicletas de downhill, que sofrem

inúmeros esforços durante sua utilização, e seus equipamentos adjacentes, também

são fabricados com a liga 7075.

A escolha da liga de estudo foi feita levando-se em consideração sua principal

aplicação: a indústria aeroespacial. A utilização de uma liga de alumínio que possua

as características mecânicas necessárias, porém com menor densidade, se faz muito

interessante para os fabricantes de aeronaves; o desenvolvimento de uma liga que

proporcione menor peso ao avião é capaz de reduzir o consumo de combustível, uma

vez que a sustentação da aeronave se tornará mais fácil em razão da redução de

peso.

O Processamento

Conformação por Spray

O processo de Conformação por Spray (CS) consiste na atomização por gás

inerte de um jato de metal líquido, em várias gotas de tamanhos variados, sendo que a

trajetória destas gotas é interrompida por um substrato sobre o qual elas solidificam na

forma de um depósito com microestruturas refinadas com baixo nível de segregação e

soluções sólidas supersaturadas com fases metaestáveis.

A habilidade do processo de formar produtos em diversas formas (placas,

discos, tubos, etc) com microestruturas refinadas diretamente a partir do metal fundido

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oferece grande benefício em comparação ao lingotamento convencional. O sucesso

da técnica depende do entendimento e controle de vários parâmetros de processo:

superaquecimento do banho, movimento do substrato (velocidade e inclinação angular

do substrato), diâmetro do bocal de vazamento de metal, tipo de gás de atomização,

tipo de bocal atomizador, material do substrato e a razão da vazão m ássica de gás

para a vazão mássica de metal (RGM).

No processo de Conformação por Spray, CS, a liga é fundida em um forno a

indução em uma atmosfera inerte ou ao ar e aquecida a uma temperatura acima da

temperatura de fusão da liga. Quando o banho metálico atinge a temperatura desejada

é acionado o fluxo de gás inerte (N2 ou argônio) a alta pressão que passará pelo bocal

atomizador. Este bocal é composto por vários furos concêntricos e cujo

direcionamento dos jatos de gás coincide com o centro do tubo pelo qual flui o metal

líquido. Além disso, a geometria do bocal é tal que os fluxos de gás que saem por

cada furo encontram-se exatamente no eixo axial que passa pelo centro do bocal, a

uma dada distância deste. Paralelamente ao acionamento do fluxo de gás, verte-se a

liga fundida em um cadinho cerâmico, cujo fundo possui um tubo de vazamento de

diâmetro controlado e constituído de cerâmica ou metal refratário. Quando o fluxo de

metal líquido entra em contato com o gás inerte a alta velocidade ocorre a formação

de um spray em uma variada gama de tamanhos de gotas, as quais são

impulsionadas para baixo da região de atomização em alta velocidade. As gotas de

metal líquido em pleno vôo podem, ainda, serem dissociadas em gotas de tamanhos

menores até alcançar um tamanho mínimo de equilíbrio. As gotas líquidas são

submetidas, durante esta etapa, a uma alta taxa de resfriamento. Desta forma,

passam a coexistir no spray gotas líquidas parcialmente solidificadas e completamente

sólidas. O spray é direcionado para um substrato, onde gera um depósito quase que

totalmente denso, com a forma próxima à de uma distribuição Gaussiana, sem que

haja movimentação do substrato. Pelo movimento contínuo do substrato em relação

ao atomizador enquanto a atomização prossegue, o depósito pode tomar diversas

formas, gerando tarugos, tubos ou fitas dependendo da movimentação imposta ao

substrato na conformação por spray.

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Figura 1 – Esquematização do Processo de Conformação por Spray

Durante o período de estágio foram realizadas fundições da liga de alumínio da

série 7xxx, através do método de atomização, com o objetivo de se obter amostras da

liga, com uma densidade menor que a obtida por métodos comuns de fundição, no

entanto, mantendo as propriedades mecânicas do material.

A obtenção de uma liga menos densa, porém, que preservasse suas

propriedades mecânicas, só poderia ser conseguida através do método de

conformação por spray. A formação de microporos, distribuídos aleatóriamente por

todo o interior do material, reduz significamente a densidade do mesmo. Porém, para

que a liga fosse conformada de forma adequada, diversos parâmetros de processo

tiveram de ser estudados e adequados: pressão do gás atomizador (Nitrogênio),

velocidade de giro do substrato, temperatura de vazamento da liga, quantidade de

material a ser conformada, dentre outros parâmetros.

Com o acerto dos parâmetros de processo, e consequente estabilização do

processo, as atividades de estudo do processo de conformação puderam ser iniciadas.

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A Preparação Amostral

Metalografia

O controle de qualidade de um produto metalúrgico pode ser estrutural e

dimensional. O segundo preocupa-se em controlar as dimensões físicas de um

determinado produto, denominado Metrologia. O primeiro preocupa-se com o material

que forma a peça, sua composição, propriedade, estrutura, aplicação, etc.

Esta pequena introdução prescreve os conceitos gerais aplicados na

preparação do corpo de prova para análise microscópica. Aplica-se a todos os

materiais e produtos metálicos ferrosos. As técnicas metalográficas dos materiais

nãoferrosos são, em princípio, semelhantes às utilizadas nas ligas ferrosas, exigindo,

entretanto, preparação mais meticulosa, alicerçadas na total atenção, paciência e

imaginação do preparador. A necessidade de um ensaio metalográfico se dá pela

possibilidade que este nos propicia de relacionar a estrutura íntima do material com as

suas propriedades físicas, com o processo de fabricação, com o desempenho de suas

funções e outros.

Um dos métodos mais utilizados de ensaio metalográfico é a micrografia;

consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, onde se

pode observar e identificar a granulação do material, a natureza, a forma, a

quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões.

As amostras a serem analisadas metalograficamente podem ser de tamanhos

variados, sendo que amostras pequenas são bastante difíceis de serem manuseadas;

portanto, para melhorar o manuseio dos corpos de prova, nos utilizamos do

embutimento. No embutimento a quente, a amostra a ser analisada é colocada em

uma prensa de embutimento com uma resina, sendo que o mais comumente utilizado

é a baquelite; de baixo custo e dureza relativamente alta.

Devido ao grau de perfeição requerida no acabamento de uma amostra

metalografica idealmente preparada, é essencial que cada etapa da preparação seja

executada cautelosamente. Operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas

mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a

para o polimento. A técnica de lixamento manual consiste em se lixar a amostra

sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se de direção

(90°) em cada lixa subseqüente até desaparecerem os traços da lixa anterior.

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Figura 2 - Método de Lixamento da Amostra em Relação à Granulometria da Lixa

A seqüência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é

100, 220, 320, 400, 600 e 1200. Para se conseguir um lixamento eficaz é necessário o

uso adequado da técnica de lixamento, pois de acordo com a natureza da amostra, a

pressão de trabalho e a velocidade de lixamento, surgem deformações plásticas em

toda a superfície por amassamento e aumento de temperatura. Esses fatores podem

dar uma imagem falseada da amostra.

O polimento é a operação pós lixamento que visa um acabamento superficial

polido isento de marcas, utiliza para este fim pasta de diamante ou alumina. Antes de

realizar o polimento deve-se fazer uma limpeza na superfície da amostra, de modo a

deixá-la isenta de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros.

A operação de limpeza pode ser feita simplesmente por lavagem com água,

porém, aconselha-se usar líquidos de baixo ponto de ebulição (álcool etílico, freon

líquido, etc.) para que a secagem seja rápida.

O polimento mecânico é caracterizado quando o mesmo é realizado através de

uma Politriz. Pode ser manual, quando a amostra é trabalhada manualmente no disco

de polimento e automática quando as amostras são lixadas em dispositivos especiais

e polidas sob a ação de cargas variáveis.

O agente polidor mais utilizado para o polimento mecânico é o diamante,

devido as suas características de granulometria, dureza, forma dos grãos e poder de

desbaste. Cuidados que devem ser observados no polimento: o principal é que a

superfície deve estar rigorosamente limpa.

Após o polimento, a amostra metalográfica ainda não está pronta para análise

de sua microestrutura; necessita-se ainda de um ataque químico, que é a exposição

da superfície polida do corpo de prova a reagentes oxidantes. O reagente químico

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evidencia a estrutura íntima do material em estudo, podendo esta ser observada

através de um microscópio de luz refletida.

Após o ataque químico a amostra deve ser rigorosamente limpa, para remover

os resíduos do processo, através da lavagem em água destilada, álcool ou acetona, e

posteriormente seca através de jato de ar quente.

Figura 3 - Amostra após Lixamento. Etapas de Polimento e Ataque Químico

O exame microscópico, com seus fatores de aumento, exige obviamente não

só cuidados especiais, mas principalmente um equipamento muito preciso e altamente

especializado. Devido à natureza dimensional das amostras envolvidas, sua

capacidade praticamente sempre a considerar, e as características comuns de

superfície, assumiu formas específicas e geram uma série de técnicas e dispositivos

que facilitam e às vezes só assim possibilitam, a execução dessas técnicas. Mais

precisamente, fala-se de posicionamento das amostras, iluminação apropriada e

técnicas fotográficas. O microscópio visa a comodidade do operador, assim como,

tornar mais fácil e nítida a microestrutura em observação.

Após a conformação do material, este era submetido à uma preparação

amostral por meio da metalografia. Uma pequena amostra era retirada de cada porção

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do material; em média 3 amostras eram retiradas de cada conformação realizada:

duas delas eram retiradas da porção central da gaussiana, porção que apresentava a

melhor qualidade de fundição e menor quantidade de poros; a terceira amostra era

retirada da lateral da gaussiana, próxima à região de formação da “aba”, onde os

maiores índices de porosidade se apresentavam; essa terceira amostra era retirada

para controle do pior caso apresentado pelo fundido. Após o corte, as amostras eram

embutidas em uma resina de cura a frio e submetidas à preparação metalográfica.

Figura 4 – Representação da Posição de Retirada das Amostras do Fundido Obtido (Gaussiana)

Na primeira fase da preparação amostral, o lixamento, as amostras eram

lixadas em lixas d’água, sob um fluxo corrente, e passadas para lixas de granulometria

cada vez menores. As lixas utilizadas eram, em ordem de utilização: 240, 320, 400,

600, 1200, 1500 e 2000.

Após o lixamento, passava-se para a etapa de polimento. O polimento era

realizado com panos contendo pasta de diamante; dois panos eram utilizados: o

primeiro contendo pasta de diamante para polimento intermediário de granulometria

1µm e o segundo contendo pasta de diamante para polimento de acabamento de

granulometria 0,25µm. Todo o processo de polimento da liga de alumínio durava, em

média, 8 horas para cada amostra; no entanto, era possível a preparação de 2

amostras simultâneamente.

Durante todo o processo de lixamento e polimento, a utilização de microscopia

óptica era imprescindível para a visualização da presença de riscos ou sulcos que

pudessem vir a interferir no resultado das análises posteriores.

Para uma visualização completa da microestrutura do material, era necessária

a realização de ataque químico; utilizando-se de um Reagente de Keller, um ataque de

8 segundos foi feito em cada amostra, para elucidar sua estrutura. Dessa forma, era

possível revelar todas as fases metaestáveis criadas pela atomização do fundido, além

da possibilidade de observação de microporos também decorrentes do

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processamento; em geral essa análise de fases metaestáveis e microporosidade era

realizada com auxílio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).

Ao final da preparação metalográfica uma inspeção era realizada com o auxílio

de um microscópio óptico, em busca de riscos ou deformações que comprometessem

as análises posteriores ou em busca de estruturas interessantes de serem estudadas

posteriormente por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura.

Conclusão

O estágio no Laboratório de Fundição possibilitou o conhecimento de uma

forma não convencional de processamento: a Conformação por Spray. O estudo de

parâmetros de processo para o ajuste do equipamento abriu horizontes no sentido de

que não apenas as características da liga ou do metal utilizado são importantes, mas

também o equipamento como um todo possuí uma influência muito grande no

resultado final da peça (como no caso da porosidade final).

Durante a realização do estágio laboratorial, foi possível compreender a

importância de seguir todos os passos de uma preparação amostral. A importância e

influência de cada uma das etapas ficou evidente durante os trabalhos, principalmente

por estar se tratando de um metal não-ferroso, que exige maiores cuidados durante

sua preparação. Ficou explícito que uma boa preparação metalográfica é necessária

para que se faça uma boa análise do material.

Portanto, o estágio no Laboratório de Fundição mostrou que um bom

entendimento do processo aliado à uma boa preparação amostral fornece aos

procedimentos posteriores uma “segurança” quanto aos resultados obtidos,

oferecendo uma maior qualidade ao trabalho que está sendo realizado.

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Referências Bibliográficas [1] H. O. Santos, L. G. Martinez, M. T. D. Orlando, I. Costa, J. L. Rossi. Ligas Al-Si

Conformadas por “Spray” – Caracterização por Difração de Raios-X

[2] E. R. D´Almeida, A. H. Kasama, L. F. Bonavina, C. Bolfarini, C. S. Kiminami, W. J.

Botta Filho. Microestrutura de Ferro Fundido Branco Alto Cromo Conformado por

Spray

[3] I Workshop de Grupos de Pesquisa do DEMa. Solidificação e Fundição de Metais

[4] “ASM Handbook of Metals; Vol. 9: Metallography and Microstructures”, ASM

International, 2002

[5] Colpaert; Hubertus. “Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns”, 3ª Edição,

Editora Edgarg Blücher Ltda, São Paulo – 1974.

[6] Coutinho, Telmo de Azevedo. “Metalografia de Não-Ferrosos”, Editora Edgard

Blücher Ltda, São Paulo – 1980.