CAMILA OMODEI COELHO GOMES PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TARUGOS PELO MÉTODO HOT TOP DE LIGAS DE ALUMÍNIO DA SÉRIE 6XXX E AS NÃO CONFORMIDADES DESSE PROCESSAMENTO Guaratinguetá 2013 CAMILA OMODEI COELHO GOMES PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TARUGOS PELO MÉTODO HOT TOP DE LIGAS DE ALUMÍNIO DA SÉRIE 6XXX E AS NÃO CONFORMIDADES DESSE PROCESSAMENTO Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Peterson Luiz Ferrandini Guaratinguetá 2013 G633p Gomes, Camila Omodei Coelho Processo de fabricação de tarugos pelo método Hot Top de ligas de alumínio da série 6XXX e as não conformidades desse processamento / Camila Omodei Coelho Gomes . – Guaratinguetá : [s.n], 2013 100 f. : il. Bibliografia : f. 90-95 Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2013 Orientador: Prof. Dr. Peterson Luiz Ferrandini 1. Fundição 2. Fundição contínua I .Título. CDU 621.74 DADOS CURRICULARES CAMILA OMODEI COELHO GOMES NASCIMENTO 11.06.1989 – Botucatu / SP FILIAÇÃO Antonio Carlos Coelho Gomes Ana Cristina Omodei Coelho Gomes 2009/2013 Curso de Graduação Engenharia de Materiais e Tecnologia Universidade Estadual Paulista (UNESP) De modo especial, a minha mãe Ana Cristina e a minha avó Maria que sempre me colocaram em suas orações e me deram total apoio. AGRADECIMENTOS A Deus, centro de minha de existência, onde deposito toda minha confiança, peço discernimento nas minhas atitudes e êxito nas minhas realizações. A minha família, base da minha vida, onde encontro muito apoio e incentivo para o meu crescimento profissional. Agradecimento especial aos meus pais, Carlos e Cristina e aos meus avós, Elpídio e Maria. Ao meu querido Professor Orientador Peterson, que se mostrou muito “amigo” numa hora em que eu precisava de apoio e o qual guardarei como exemplo por toda a minha vida. Ao meu namorado Ronivaldo, ex-aluno da FEG, que sempre me ajudou e me motivou em tudo que eu precisei. A todos meus amigos, especialmente à Ivylin, que foram meus companheiros motivadores nesta jornada da faculdade. Aos funcionários da Biblioteca pela dedicação e presteza e às secretárias da graduação pela dedicação e prontidão no atendimento. A Engenharia de Processos, Coordenadores, Operadores e toda a equipe do Lingotamento pela oportunidade de trabalho, pela confiança e pelo auxílio no desenvolvimento dos projetos, durante todo o período da realização do meu estágio. Gomes, C.O.C.Processo de fabricação de tarugos pelo método Hot-Top de ligas de alumínio da série 6XXX e as não conformidades desse processamento. 2013. 100 f. Trabalho de Graduação (Graduação em Engenharia de Materiais) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013. RESUMO O objetivo deste trabalho é relatar alguns problemas ocorridos na produção de tarugos de alumínio (série 6XXX) fabricados pelo processo Hot Top na Empresa Alcoa Alumínio S.A. O processo de fabricação do Alumínio é descrito a partir da primeira etapa, desde a mineração até a redução, fundição e tratamento do metal. O produto final da planta são os tarugos, destinados para clientes que fabricam perfis por extrusão, e a qualidade final do produto é altamente dependente de todo o processo de fundição. Portanto, é necessário que se utilize boas práticas de tratamento do metal, acompanhamento de sua fabricação e controle de seu tratamento térmico para atender os padrões requeridos, satisfazendo assim, os clientes. O método de produção do tarugo e suas variáveis serão descritas através da temperatura e velocidade de vazamento, fluxo do cone d’agua, taxa de resfriamento, tempo de tratamento térmico, desgaseificação e filtragem do metal “in line”, ou seja, quando ele ainda se encontra no estado líquido. As não conformidades do processo foram estudadas por análises metalográficas, tanto macroestrutural quanto microestrutural, e serão descritas e discutidas. Palavras-chave: Tarugos de alumínio. Fundição.Lingotamento. Análises Metalográficas. Redução do Metal. Gomes, C.O.C. Manufacturing process by Hot Top method of aluminum alloys of series 6XXX and the non-conformities of this processing. 2013. 100 f. Final Monograph (Undergraduation in Materials Engineering)– Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013. ABSTRACT The goal of this work is to report some problems that occur in the in the production of aluminum billets (series 6XXX) produced by the hot top process in the Alcoa aluminum Inc. The aluminum fabrication process is described from its first stage, since the mining until the reduction, smelting and treatment of the metal. One of the plant’s final product, are billets for clients that produce profiles by extrusion. The product’s final quality highly depends on the whole production process. Therefore it’s necessary to use good practices in the treatment of the metal, follow up its fabrication and control its thermal treatment, in order to meet the required standards to satisfy the clients. The billet’s production method and its variables will be detailed through temperature and casting speed, cone of water flow, cooling rate, duration of thermal treatment, degassing and metal “in line “filtering, in other words when it’s still found in its liquid state. The non-conformities of the process were studied by metallographic analysis, both macrostutural and microstructural that will be described and discussed in this work. Key Words: aluminum billets, smelting, cast house, metallographic analysis and metal reduction. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...................................................................................................................12 1.1. A EMPRESA.....................................................................................................................12 1.2 OBJETIVOS.......................................................................................................................12 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.........................................................................................12 2.1 O ALUMÍNIO.....................................................................................................................12 2.2 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS........................................................................................13 2.3 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO...........................................................................................15 2.4 PROCESSOS DE REDUÇÃO............................................................................................17 2.5 LINGOTAMENTO.............................................................................................................19 3. FABRICAÇÃO DE TARUGOS........................................................................................19 3.1 CARREGAMENTO DOS FORNOS..................................................................................19 3.1.2 Perda de fusão................................................................................................................23 3.1.3 Formação da escória......................................................................................................24 3.1.4 Escumagem dos fornos..................................................................................................25 3.1.5 Adição de sal..................................................................................................................26 3.1.6 Adição de elementos de liga...........................................................................................26 3.2 VAZAMENTO DO METAL..............................................................................................29 3.2.1 O filtro A-622..................................................................................................................30 3.2.2 Remoção dos álcalis.......................................................................................................31 3.2.3 Desgaseificação...............................................................................................................32 3.3 ADIÇÃO DE REFINADOR DE GRÃO...........................................................................34 3.3.1 Mecanismo de refinamento de grão.............................................................................35 3.4 UTILIZAÇÃO DO FILTRO CFF (CERAMIC FOAM FILTER).....................................36 3.5 PROCESSO DE VAZAMENTO POR CABEÇA QUENTE (HOT TOP)........................37 3.5.1 Montagem dos componentes da mesa..........................................................................39 3.5.2 Mecanismos do processo................................................................................................40 3.6 SOLIDIFICAÇÃO DO METAL........................................................................................43 3.6.1 Estruturas dendríticas...................................................................................................43 3.6.2 Estrutura do Grão..........................................................................................................44 3.6.3 Micro segregação............................................................................................................45 3.7 PÓS VAZAMENTO DO METAL....................................................................................45 4. PROCESSO DE HOMOGENEIZAÇÃO.........................................................................47 4.1 OS OBJETIVOS DA HOMOGENEIZAÇÃO...................................................................48 4.1.2 Forno de homogeneização e o a câmara de resfriamento...........................................50 4.1.3 Gráfico do tratamento térmico.....................................................................................51 4.1.4 Destino final dos tarugos...............................................................................................54 5. MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................................56 5.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS (MACROESTRUTURAL)......................................56 5.2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS (MICROESTRUTURAL).......................................56 5.2.1 Análise PoDFA...............................................................................................................60 6. ANÁLISES E DISCUSSÃO...............................................................................................61 6.1 ANÁLISE MACROESTRUTURAL..................................................................................61 6.1.1 Dureza.............................................................................................................................61 6.1.2 Tamanho de grão...........................................................................................................62 6.1.3 Pré- solidificação............................................................................................................63 6.1.4 Camada de refusão.........................................................................................................64 6.2 ANÁLISE MICROESTRUTURAL...................................................................................64 6.2.1 Segregação inversa.........................................................................................................65 6.2.2 Mecanismos do processo................................................................................................67 6.3 AS FASES DE ALFESI......................................................................................................69 6.3.1 Características das fases................................................................................................69 6.4 ESCRITA CHINESA……………………….........................................………....……….72 6.5 DISTRIBUIÇÃO UNIFORME DO MG2SI.......................................................................73 6.5.1 Estequiometria dos compostos......................................................................................73 6.6 CAVIDADE DE CONTRAÇÃO.......................................................................................76 6.7 INCLUSÕES DE ÓXIDOS................................................................................................77 6.8 POROSIDADE..................................................................................................................77 6.9 FUSÃO DE EUTÉTICO.....................................................................................................77 6.10 OUTROS DEFEITOS IDENTIFICADOS NA MACROESTRUTURA.........................78 6.10.1 Exsudação.....................................................................................................................79 6.10.2 Juntas frias....................................................................................................................79 6.10.3 Rugosidade....................................................................................................................80 6.10.4 Rasgos transversais......................................................................................................80 6.10.5 Zíper..............................................................................................................................81 6.10.6 Agarramento.................................................................................................................82 6.10.7 Sangria..........................................................................................................................82 6.10.8 Empenamento...............................................................................................................83 6.10.9 Bolha..............................................................................................................................84 6.10.10 Marca de espaçador...................................................................................................85 6.10.11 Óxidos na superfície...................................................................................................86 6.10.12 Porosidade...................................................................................................................86 6.10.13 Ondulação...................................................................................................................87 6.10.14 Trinca..........................................................................................................................87 6.10.14.1 TRINCA SUPERFICIAL.........................................................................................87 6.10.14.2 TRINCA NO PÉ.......................................................................................................88 7. CONCLUSÃO.....................................................................................................................89 REFERÊNCIAS......................................................................................................................90 GLOSSÁRIO...........................................................................................................................99 APÊNDICE..............................................................................................................................98 Apêndice A...............................................................................................................................98 Apêndice B................................................................................................................................99 . 12 1. INTRODUÇÃO 1.1. A EMPRESA Em 1965, foi fundada a primeira Unidade da Alcoa no País, na cidade de Poços de Caldas, contendo as três unidades de produção integradas – mineração, refinaria e redução. Inicialmente denominada Alcominas, entrou em operação em 1970 colaborando assim, para que a cidade se tornasse um importante polo de desenvolvimento do sul de Minas Gerais (ALCOA). 1.2 OBJETIVO O objetivo deste trabalho é descrever o processo de obtenção do alumínio desde a bauxita até o produto final e dar enfoque na produção de tarugos, pertencentes à série 6XXX e em seus possíveis defeitos de caráter micro e macroestrutural. Essas ligas são destinadas para o processo de extrusão para fabricação de perfis. 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1 O ALUMÍNIO O alumínio foi descoberto por Sir Humphrey Davy em 1809, tendo sido isolado pela primeira vez em 1825 por H. C. Oersted. Porém, apenas em 1886 foi desenvolvido um processo industrial econômico de redução. Nesse ano, dois cientistas trabalhando independentemente, Charles Martin Hall, nos Estados Unidos, e Paul Louis Héroult, na França, inventaram o mesmo procedimento eletrolítico para reduzir a alumina em alumínio (ABAL, 2004). O aumento do consumo e utilização do alumínio é a prova visível que ele se destaca por possuir excelentes características físico-químicas, ressaltadas pelo seu baixo peso específico, comparado com outros metais de grande consumo, pois é maleável, de excelente resistência à corrosão, alta condutibilidade elétrica e térmica e infinitamente reciclável (ver Apêndi\ce A). 13 2.2 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS O sistema de classificação das ligas de alumínio teve origem com a associação dos produtores norte-americanos - The Aluminum Association Inc. - e atualmente tem aceitação mundial. As ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos: as ligas tratáveis termicamente (destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos e não planos, placas, chapas, folhas, tarugos, barras, perfis extrudados e componentes forjados) e as ligas de fundição (destinadas à fabricação de componentes fundidos) (BRANDT, 1990). As ligas de alumínio fundidas foram agrupadas em série, cada uma com quatro dígitos sendo que o último dígito é separado dos três primeiros por um ponto decimal. Para a série 1XX.X, o primeiro dígito designa o alumínio não ligado, os dois últimos dígitos seguintes indicam aproximadamente a porcentagem mínima de alumínio que está acima de 99% e o quarto dígito, após o ponto decimal, indica a forma do produto por exemplo, 1XX.0 se refere a um produto fundido (DAVIS, 2002). As ligas fundidas são representadas na Tabela 01 abaixo. Tabela 01– Sistema de identificação das ligas de alumínio de fundição segundo a American Aluminium Association. Fonte: (AAA, 2013) 14 A Tabela 02 apresenta as ligas tratáveis termicamentes com destaque para as ligas da série 6XXX que serão descritas nesse trabalho. O grupo 1XXX são os alumínios não ligados e as séries que vão de 2XXX à 8XXX o primeiro dígito se refere ao principal elemento constituinte, o segundo digito da classificação deve indicar a liga original e modificações da liga e os dois últimos, dos quatro dígitos da designação, devem indicar as diferentes ligas do grupo (NOCK Jr., 1990). Tabela 02 – Sistema de identificação das ligas de alumínio para trabalho mecânico segundo a American Aluminium Association. Fonte: (AAA, 2013) A série 6XXX contém ligas que possuem ligações consideradas de média resistência mecânica, boa resistência a corrosão, soldabilidade, conformabilidade e usinabilididade. As ligas produzidas para tarugos são da série 6xxx, ou seja, ligas de alumínio com silício e magnésio como principais elementos de liga. 70% da produção consistem de 6060 e 6063. Os 30% restantes englobam ligas 6005, 6061, 6101, 6082, 6351 e 6463. Ligas da série 6xxx são 15 tratáveis termicamente, apresentam boa resistência mecânica, excelente conformabilidade e boa resistência à corrosão (ALCOA). As composições dos dois principais elementos adicionados nessa série podem variar de acordo com a Tabela 03 abaixo: Tabela 03: Intervalos das quantidades de elementos de liga que devem ser adicionados. %Si %Mg Liga Mín. Máx. Mín. Máx. 6060 0,446 0,494 0,396 0,454 6063 0,476 0,544 0,446 0,514 6005 0,756 0,844 0,116 0,204 6061 0,666 0,774 - 0,084 6351 0,986 1,07 0,446 0,534 6463A 0,496 0,545 - 0,034 6463B 0,365 0,434 - 0,034 6261 0,550 0,700 0,200 0,350 6082 1,130 1,200 0,500 0,600 6101 0,430 0,480 - - Fonte: (AAA, 2013) 2.3 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO O processo de obtenção de alumínio primário divide-se em três etapas: mineração, refinaria e redução. A mineração é a etapa que consiste na extração do minério de bauxita da jazida. O alumínio não é encontrado no estado metálico na crosta terrestre e sua obtenção é feita a partir da extração da bauxita, que deve apresentar no mínimo 30% de alumina aproveitável, para que a produção seja economicamente viável. Basicamente, são necessárias 5 toneladas de bauxita para se obter 2 toneladas de alumina e assim produzir 1 tonelada de alumínio pelo processo de redução (ABAL, 2006). 16 A unidade de refinaria atua principalmente no sentido de processar a bauxita e produzir alumina. Para tal, o processo utilizado é o Bayer, onde se processa a bauxita e produz a alumina hidratada e calcinada (Mc GEER, 1977). Dessa forma, a alumina é moída (moagem), dissolvida em soda cáustica (digestão) e, posteriormente filtrada para separar todo o material sólido (clarificação e evaporação), concentrando-se o filtrado para a cristalização da alumina (precipitação). Os cristais são secos e calcinados (calcinação) para eliminar a água do hidrato de alumínio, através de superaquecimento transformando-o em alumina SGA (Smelting Grade Alumina – Al2O3), a qual está pronta para a venda e para o processo de redução (ABAL, 2004). O fluxograma do processo é ilustrado abaixo (Figura 01): Figura 01: Fluxograma da refinaria. Fonte: ( ABAL, 2013). 17 2.4 PROCESSOS DE REDUÇÃO O enfoque do trabalho como anteriomente dito, é o processo de redução e fundição do metal da série 6XXX, (Figura 02), que ocorre respectivamente na sala de cubas e o no lingotamento, sendo que neste último são realizados a fabricação de tarugos e seu tratamento térmico. Figura 02: Fluxograma do processo de redução. Fonte: (ABAL, 2013). Pelo processo denominado Hall-Héroult, a alumina calcinada é transformada em alumínio metálico por eletrólise. Esse processo ocorre em cubas eletrolíticas (Figura 03(a)), que são compostas pelo catodo e anodo onde é inserido o briquete (Figura 03(b)). Os briquetes são produzidos na própria planta e são compostos de coque e piche. O coque fornece calor para a combustão e o material volátil consiste principalmente em misturas de carbonetos, como exemplo o piche. Figura 03: (a) Cuba eletrolítica selada com aluminia; (b) Representação da cuba eletrolítica evidenciando a composição e o local onde se coloca o briquete. 18 Fonte: (próprio autor, 2013). A alumina é frequentemente depositada nas cubas sob um eletrólito fundido, denominado banho eletrolítico, que é composto por uma mistura contendo CaF2 (Fluorita), NaF (Fluoreto de Sódio), AlF3 (Fluoreto de alumínio), MgF2 (Fluoreto de magnésio) e Na3AlF6 (Criolita) que é um bom solvente para alumina. Cada cuba possui uma voltagem estimada de 5 volts consumindo em média 440 volts e cada cuba possui um sistema de medição e uma lâmpada sinalizadora, a qual é possível informar ao operador do efeito anódico, ou seja, quando há falta de alumínio na cuba. Durante esse processo, a passagem da corrente acarreta na redução do metal (Reação 01) (ZANGIACOMI, 2011). A passagem de corrente elétrica contínua, na célula eletrolítica, promove a redução da alumina decantando o alumínio metálico no fundo da célula e o oxigênio liberado reage com o anodo de carbono, formando CO2 (ABAL, 2004). 2 Al2O3 + 3 Carbonos (pasta) + Energia -> 4 Al(l) + 3 CO2(g) (01) A Alcoa Poços possui três linhas de cubas, cada uma contendo um total de 96 cubas sendo que cada cuba é alimentada por 50 pinos, pelos quais são inseridos os briquettes. Em média, opera-se com um total de 287 cubas/dia, com um plano de produção de 265 ton/dia. A alimentação das cubas é feita por um operador (Figura 04(a)) ou com um veículo interno denominado “rodão” (Figura 04(b)) que realizam a selagem de cubas, para que fiquem sempre abastecidas com alumina. A retirada do metal líquido das cubas (Figura 04(c)), é feita por sifonação onde é passando o metal para o cadinho. Esses cadinhos chegam ao lingotamento como uma temperatura de 900 ºC e após pesagem e escumagem (Figura 04(d)), o cadinho é despejado nos fornos estacionários do lingotamento (ALCOA, 2013). 19 Figura 04: (a) Operador selando a cuba; (b) rodão selando a cuba; (c) cadinho que faz a sucção do metal das cubas; (d) cadinho sendo escumado. Fonte: (próprio autor, 2013). 2.5 LINGOTAMENTO O lingotamento possui clientes que priorizam a compra de metal líquido como Phelps Dodge, Mangels e Fábrica de Pó de alumínio (interna da Alcoa). Outros clientes realizam a compra de tarugos (extrusão) e outros ainda, a compra de lingotes em menor proporção (Figura 05). Figura 05: Distruibuição dos produtos produzidos na Planta da Alcoa. Fonte: (próprio autor, 2013). Produção Média Mensal (%) 33% 37% 15% 13% 1%1%0% Extrusão Phelps Dodge Fabrica de Pó Mangels Lingotes Primarios Lingotes Off-Grade Alta Pureza 20 A Mangels fabrica rodas automotivas na cidade de Três Corações-MG, através da fundição por baixa presssão, com uma produção de 8000 rodas/dia e para tanto são utilizadas ligas da série de fundição 3XX.X, ligas de Al-Si, com teores de Si iguais a 7% ou 11%. A Phelps, produtora de fios e cabos condutores, adquire metal com adição do elemento boro, o qual atua na remoção dos metais de transição da liga, a fim de aumentar a condutividade elétrica do produto final. Os lingotes e as ligas destinadas à Fábrica de Pó são enviados a clientes internos (METALLURG, 2013). 3. FABRICAÇÃO DE TARUGOS As ligas produzidas para a fabricação de tarugos são da série 6XXX, ou seja, ligas contendo como principais elementos o silício e o magnésio. O sistema de fabricação de tarugos utilizado é o método “hot top”, classificado como sistema de fundição semicontínuo e com capacidade média de produção mensal de 4200 tarugos, possuindo eles, diâmetros de 152 mm, 178 mm e 203 mm. O fluxograma abaixo (Figura 06) será descrito ao longo do trabalho e representa as etapas que ocorrem para a produção de tarugo e a sequência de tratamento do metal. Figura 06: Fluxograma do processo de fabricação de tarugos pelo método Hot Top. 21 Fonte: ( ALCOA, 2013). 3.1 CARREGAMENTO DOS FORNOS O carregamento dos fornos pode ser feito tanto com metal primário, vindo da sala de cubas, como também com sucata juntamente com metal primário. A refusão do metal e a adição do metal líquido são feitos de maneira conjunta, sendo proporções de 90% de metal líquido e 10% de sucata, 80% de metal, 20% de sucata, 70% de metal e 30% de sucata, pois o metal líquido é transferido diretamente para os fornos e somente após três horas ou mais é que se pode adicioná-lo ao forno caso o mesmo já contenha sucata evitando assim, possíveis explosões causadas pela umidade. O carregamento do forno é realizado primeiro com sucatas mais leves como caixas, limalhas, lingotes e posteriormente com sucatas do tipo pé, cabeça de tarugos, tarugos não conformes (Figura 07) (GIRARD et al., 2010). 22 Figura 07: Sucata sendo refundida. Fonte: ( próprio autor, 2013). As sucatas que são utilizadas devem estar de acordo com os requisitos mínimos de qualidade, segurança, embalagem, acondicionamento, não sendo permitidas sucatas contaminadas com outros metais (aço, chumbo, zinco), latas de bebidas, material radioativo, lubrificantes e qualquer sucata que não seja gerada em processo de extrusão (ATTEMPOHL, 1998). A exposição do metal líquido na atmosfera faz com que se crie uma fina camada de óxido de alumínio que protege a superficie do metal agindo como uma barreira e previnindo oxidações. Quando essa camada protetora é quebrada, o óxido de alumínio e contaminantes são introduzidos no metal. Por esse motivo, a transferência de metal para os fornos tem bastante impacto sobre o processo, sendo esta uma etapa crítica, pois podem ser introduzidos óxidos no material fundido e gerar escória, e quando o metal é despejado de uma altura acima da desejável (Figura 08), o ar é puxado para baixo da superfície do banho. Esse fenômeno dá- se o nome de ação cascata, e é quando há o aumento da exposição do oxigênio no metal, fazendo com que os óxidos permaneçam suspensos na massa fundida. Por isso é necessário que o metal seja vazado com a mais baixa turbulência possível para que se reduza a formação da escória, embora ela seja inevitável (GIRARD et al., 2010). Figura 08: Metal sendo despejado pela porta norte (porta atrás do forno). 23 Fonte: (ALCOA,2013). 3.1.2 Perda de fusão A perda de fusão é o fenômeno que afeta o rendimento metálico de fusão sendo a relação entre o peso final do metal solidificado e o peso do material carregado para ser refundido. A morfologia, composição química dos lingotes, sucatas, retalhos (Figuras 09), e a temperatura, têm forte influência na perda de fusão e na geração de escória, pois o metal fica sujeito a oxidação (contato com o ar ou com atmosfera oxidante dos fornos). Figura 09: Sucatas utilizadas para refusão (a) Sucata de cuba; (b) limalha; (c) pés e cabeças de tarugos serrados; (d) metal drenado e solidificado; (e) perfis prensados; (f) sucata de cabos. Fonte: (próprio autor, 2013). 24 As perdas de fusão dependem das dimensões do material metálico colocado no forno, sendo que a principal variável que afeta a perda é a espessura do refugo, pois quanto mais leve for o material e quanto maior a área superficial, maiores serão as perdas (ABAL, 2006). Um maior contato com a atmosfera causa uma maior perda de fusão, por isso limalhas devem ser compactadas para conseguir uma densidade elevada e para minimizar a flutuação e exposição à atmosfera oxidante. 3.1.3 Formação da escória Conforme já mencionado, a formação da escória dá-se quando o alumínio líquido é exposto à atmosfera natural, gerando assim uma camada delgada e impermeável de óxido de alumínio (Al2O3) em sua superfície, de acordo com a Reação (02). A espessura dessa camada é em função da temperatura e do ponto de fusão do alumínio e sua composição é em função da liga que está sendo preparada. 2Al + 3/2 O = Al2O3 = 339 Kcal/mol (02) A camada de escória atua como um cobertor, evitando que o calor atinja o material fundido e crie uma barreira para a dissolução dos elementos de liga. Essa escória é formada por óxido e alumínio metálicos, tendo em vista que na escumagem a retirada desta camada arrasta mecanicamente parte do alumínio incorporado na escória e esse processo não deve ser realizado várias vezes, porque automaticamente surgirão novas oxidações. Esses resíduos são denominados skim, dross, borra e escória e suas composições variam muito, porém normalmente são óxidos de alumínio e outros óxidos de metais que compõem a liga como óxido de magnésio, carbeto de alumínio, nitreto de alumínio, óxido de ferro, entre outros (ABAL, 2007). Durante o processo, ocorrem as reações termíticas que é quando o metal fundido permanece muito tempo dentro do forno, formando pontos de ignição na escória (térmitas) a aproximadamente 2000ºC (Figura 10). Ela deve ser evitada, pois apresenta uma perda de alumínio metálico, através da Reação (03). 2Al + N2 = 2 AlN + 131 Kcal/mol (03) A formação de nitreto de alumínio promove outra reação com a umidade do ambiente gerando amônia (Reação 04), que exala um desagradável odor e gera péssimas condições de higiene e saúde para os funcionários da área. 25 2 AlN + 3H2O = Al2O3 + 2NH3 (04) Figura 10: Borra gerada no processo e ocorrência de reação termítica. Fonte: (próprio autor, 2013). 3.1.4 Escumagem dos fornos O método mais amplamente utilizado para esta atividade são escumadeiras, enganchadas nas empilhadeiras, sendo que a eficiência desta técnica é altamente dependente das habilidades do operador (Figura 11). Nesse processo há uma grande perda de energia, uma vez que ele é realizado com a porta do forno aberta. Da mesma forma que há várias restrições para despejar o metal, há várias restrições para a escumagem, sendo que uma delas é que a agitação deve ser realizada abaixo da superfície do banho para causar uma perturbação mínima da superfície do metal fundido (GIRARD et al., 2010). Figura 11: Escumagem arrastando a escória para fora do forno. (Fonte: próprio autor, 2013). 26 3.1.5 Adição de sal Um dos tratamentos do metal no forno é a fluxição, que consiste basicamente na adição de sais granulados ou em pó adicionados direto ao forno seguida de agitação. Os fluxos baseiam-se em misturas de cloretos e fluoretos, sendo os mais comuns: NaCl, MgCl2, KCl, Na3AlF6, NaF, KF, CaF2 e Mg2F. A planta de Poços não utiliza o sal no tratamento do metal, devido ao fato do mesmo ser considerado limpo, ou seja, vir do processo primário de produção ou então de refusão de sucatas confiáveis. Estudos apontam diversos benefícios da adição de sais nos fornos como redução da perda de fusão, aumento da formação de uma borra mais seca, redução dos álcalis, inclusões e manutenção na limpeza do forno (redução da impregnação de óxidos nas paredes) (ALFA TREND, 2013). Por exemplo, utiliza-se sais como o NaCl (100%) que funde a uma temperatura de 807ºC e o KCl (100%) que funde à 802ºC. A densidade dessses sais devem ser bem inferiores a do alumínio líquido para que sobrenadem na forma de banho. Os sais mencionados apresentam densidade na fase líquida de 1,7 g/cm³ que é bem inferior a densidade do alumínio líquido (2,36 g/cm³). O sal deve sobrepor-se à carga que esta sendo fundida e deve ter capacidade para romper a camada de óxido que recobre o metal. O uso do sal a base de cloreto também é eficiente, pois faz com que as inclusões emerjam na superfície e se comportem como uma camada de escória (ABAL, 2006). 3.1.6 Adição de elementos de liga Os elementos de liga são denominados de anteligas. Um dos aspectos que tornam as ligas de alumínio tão atraentes como materiais de construção mecânica, é o fato do alumínio se combinar com a maioria dos metais de engenharia, a fim de se obter características tecnológicas ajustadas de acordo com a aplicação do produto final. Naturalmente, uma só liga não pode combinar todas as propriedades ótimas para cada aplicação, sendo necessário conhecer as vantagens e limitações de cada uma delas, para que se possa fazer a melhor seleção. O grande alcance das ligas oferece à indústria uma grande variedade de combinações de resistência mecânica, resistência à corrosão e ao ataque de substâncias químicas, condutibilidade elétrica, usinabilidade, ductibilidade, formabilidade (AGREDA, 2005) Um comentário que se aplica a todos os elementos de liga é que o forno deve ser escumado antes deles serem adicionados, para evitar que fiquem presos na camada de 27 escória, resultando na não homogeneização do forno. A ordem de adição dos elementos deve ser seguida de acordo com a recomendação dos fornecedores. O magnésio, por exemplo, é o elemento mais sensível em termos de recuperação e impacto sobre a qualidade do metal e deve ser adicionado ao forno abaixo de 750°C porque submerge rapidamente e é facilmente queimado. O manganês deve ser adicionado sozinho e por último, dentres as anteligas e com o forno muito bem escumado para não deixá-lo ficar na superfície junto com a escória. O titânio deve ser o primeiro a ser adicionado. Elementos como o manganês, cromo e o níquel possuem baixa solubilidade e com pontos de fusão superior ao do alumínio, favorecendo assim, a formação de eutéticos binários, ternários e complexos como Al5FeSi, CuAl2, FeAl3, Mg2Si (BROWN; WILLEY, 1990) Em geral, podemos dividir os elementos entre àqueles que conferem a liga a sua característica principal (resistência mecânica, resistência à corrosão, fluídez no preenchimento de moldes) e os que exercem função acessória, como o controle de microestrutura, das impurezas e traços que prejudicam a fabricação ou a aplicação do produto (CORRADI, 2006). Após o término da preparação do forno, aguarda-se o tempo de descanso do banho em média de 30 minutos (mínimo) para que haja o processo de sedimentação por gravidade para que inclusões maiores que 100 micrometros sejam precipitadas no fundo do forno e antes de realizar o vazamento do metal. Antes de toda fundição e saída de metal da fábrica são retiradas amostras dos fornos para que se verifique e certifique a composição química. Alguns elementos de liga que podem ser adicionados ao alumínio são o antimônio, arsênio, berílio, bismuto, boro, cádmio, cálcio, carbono, chumbo, cobre, cromo, estanho, estrôncio, ferro, fósforo, gálio, índio, lítio, manganês, mercúrio, molibidênio, níquel, prata, vanádio, zinco, zircônio, titânio. Os dois elementos principais que compõem as ligas da série 6XXX são o magnésio e o silício. (Ver apêndice B). O magnésio (Figura 12(a)) promove o aumento de propriedades mecânicas. Em altas concentrações é suscetível à corrosão intergranular, por isso é utilizado em ambientes agressivos, possui boa resistência, reduz a temperatura de fusão e aumenta a capacidade de endurecimento por deformação. O silício (Figura 12(b)) aumenta a fluidez do alumínio líquido e adicionado juntamente com o magnésio, forma ligas tratáveis termicamente, diminuindo a temperatura de fusão e reduz os índices de contração durante o processo de solidificação (MAZOLANI, 1995). 28 Figura 12: Elementos de liga (a) barras de magnésio; (b) pepitas de silício. Fonte: ( próprio autor, 2013). Após a adição dos elementos de liga nos fornos, outra agitação é necessária a fim de auxiliar na dissolução dos elementos, atingir a temperatura, composição e homogeneidade do produto fundido. Observa-se nas Figuras 13(a) e 13(b) imagens de um forno com a escória (sem ser escumado) e um forno já escumado respectivamente. Figura13: (a) Forno não escumado (contendo borra superficial); (b) forno escumado, pronto para iniciar o vazamento de metal. Fonte: (próprio autor, 2013). 29 3.2 VAZAMENTO DO METAL Vazamento do metal ou então caída do metal é o nome utilizado quando se inicia o processo de fundição, ou seja, a partir de quando ele sai do forno em direção à mesa de fabricação de tarugos e nesse trajeto serão descritos quatro importantes tratamentos realizados no metal, sendo: desgaseificação, retirada de álcalis, adição de refinador de grão e filtragem. Primeiramente, o metal segue pela calha atingindo o filtro, chamado de A-622, onde são realizados os processos de desgaseificação e retirada de álcalis. Logo após, em um novo intervalo de calha são adicionados vergalhões e varetas como refinadores de grão e por último é realizada a filtragem do metal, com um filtro de espuma cerâmica. Cada etapa será esquematizada e descrita com mais detalhes no desenvolver do trabalho, perante parâmetros importantes do processo. O forno 1, por estar mais distante, provoca maior dissipação de calor até chegar aos moldes e por esse motivo a temperatura deste forno deve ser de 710ºC, enquanto o forno 2 necessita atingir apenas 700ºC (Figura 14). O controle da temperatura dos fornos é realizado pelos maçaricos eos operadores controlam todo o processo por meio de abertura e fechamento das portas dos fornos. Figura 14: Representação da Hot Top, desde os fornos até a mesa de tarugos. Fonte: (ALCOA, 2013). 30 3.2.1 O filtro A-622 O filtro A-622, assim como toda a calha de vazamento e a mesa, são aquecidos antes do processo por meio de maçaricos (Figura 15(a)). Ao passar pelo filtro, ocorre então a retirada do gás hidrogênio para obtenção de um metal desgaseificado e a retirada de álcalis para a obtenção de um metal mais limpo. O A-622, (Figura 15(b)) é formado por um compartimento interno (box) com um rotor de aço acoplado (Figura 15(c)), onde a escória ficará aprisionada e por onde serão inseridos os gases (ARANGO; MARTORANO, 2012). Figura 15: (a) Calha sendo aquecida para iniciar o vazamento do metal; (b) compartimento do filtro A-622 durante o vazamento de metal; (c) vista lateral. Fonte: (próprio autor, 2013). Através do rotor (Figura 16 (a)), há a inserção de gás cloro e gás argônio que passam pelo orificio presente na haste do rotor dispersor (Figura 16(b)) até entrar em contato com o metal. Figura 16: (a) rotor de aço; (b) vista do orifício presente no rotor por onde são inseridos os gases. Fonte: (ABAL, 2013). 31 3.2.2 Remoção dos álcalis A remoção dos álcalis é um processo que não requer alto custo e se obtém eficiência em média de 55% na remoção de inclusões. Para isso, é injetado pelo orifício do rotor, gás cloro inerte para que as inclusões possam aderir nas bolhas que serão formadas. Os álcalis (Na, Li e o Ca) acompanham o metal junto ao banho eletrolítico, sujeira das sucatas, impurezas, inclusões exógenas que incluem partículas refratárias, sílica e partículas endógenas que são óxidos, espinélios, carbetos, boretos, cloretos (ABAL, 2005). Os álcalis formados são sólidos, flutuam e havendo magnésio em excesso também reagem com o cloro formando gases e cloreto líquido que precipitam e causam defeitos, segundo as reações (05) e (06) abaixo: Mg + Cl2(g) = MgCl2 (l) (05) 2/3 Al + Cl (g) = 2/3 AlCl3(g) (06) O gás, ao passar pelo rotor, promove a formação de pequenas bolhas em grande quantidade e reagem de forma mostrada na Reação primária (07), a qual obtem sais como produto. 2Cl2 + 2Na + Mg → MgCl2 + 2NaCl (07) Reações (08) e (09) secundárias: MgCl2 + 2Na → Mg + 2NaCl (08) MgCl2 + Ca → Mg + CaCl2 (09) As taxas de sódio e cálcio que são consumidas são proporcionais as suas concentrações no metal fundido, ajudando a manter a escória seca e também removendo algumas outras inclusões, principalmente óxidos que são arrastados para a superficie. 3.2.3 Desgaseificação As ligas de alumínio, que estão no estado líquido, são muito suscetíveis à absorção de hidrogênio. Por ocasião na solidificação, ocorre uma brusca redução de solubilidade fazendo com que grande parte do hidrogênio seja segregado (CALLISTER, 1997). A absorção de 32 hidrogênio pelo metal líquido ocorre através da redução do vapor de água, conforme a Reação (10): H2O (vapor) + 2/3 Al (líquido) → 1/3 Al2O3 (sólido) + 2 H (dissolvido) (10) Para evitar esse problema, é necessário desgaseificar o metal através do borbulhamento do gás inerte, o qual abaixa o teor de hidrogênio no banho, arrastando as partículas sólidas de inclusões de óxidos. Neste processo, o gás é “fragmentado” pelo movimento rotativo do rotor gerando um número elevado de bolhas (Figura 17). Figura 17: Esquema básico de desgaseificador. Fonte: (ABAL, 2006) Pelo gráfico (Figura 18(a)), observamos que o alumínio no estado líquido (acima de 660°C) apresenta grande solubilidade e à medida que se solidifica, sua solubilidade diminui drasticamente. Nota-se que na temperatura de 660ºC, a solubilidade do hidrogênio é de 0,04 cm3 e a partir daí, continua a decrescer, a mobilidade dos átomos tende a ser baixa e eles se juntam para formar o hidrogênio molecular dando origem a cavidades porosas de hidrogênio molecular no interior do metal líquido. A 850ºC o alumínio é bastante ágil em solubilizar átomos de hidrogênio absorvendo 2,19 cm3/100 g de Al, e ao abaixarmos a temperatura para 800 ºC nota-se que a absorção é de 1,70 cm3/100 g de Al. O processo depende da área total das bolhas do gás, quanto maior a quantidade, menor o tamanho das bolhas e maior rotação maior será a cinética de desgaseificação. A uma dada 33 vazão, quanto menor o diâmetro do rotor e quanto maior a velocidade de rotação, menor será a o diâmetro das bolhas, as quais se obtiverem cerca de 5 milímetros de diâmetro podem conseguir uma eficiência de cerca de 100% (Figura 18(b)). Bolhas menores, causam um melhor contato com o metal, melhor agitação, lavagem do metal e provocam reações mais rápidas, assim como o tempo de contato de argônio são determinantes para a eficiência da desgaseificação (ABAL, 2006). Figura 18: (a) Gráfico da solubilidade do hidrogênio no alumínio; (b) eficiência do processo em função de diâmetro da bolha . Fonte: (ABAL, 2004). Nota-se que quanto maior a temperatura de aquecimento do alumínio líquido, maior será o volume de hidrogênio na forma de bolhas dentro do metal, como mencionado. Pode-se concluir que uma boa prática operacional não superaquece o metal líquido, procurando mantê- lo o mais próximo possível do ponto de solidificação, compatível com as condições de vazamento (ABAL, 2006). 34 3.3 ADIÇÃO DE REFINADOR DE GRÃO A prática de refino de grão utilizada durante a fundição dos tarugos, objetiva uma microestrutura com grãos globulares, mais homogêneos, equiaxiais, dúcteis e refinados, a fim de melhorar as propriedades mecânicas e fazer com que sejam isotrópicas e uniformes ao longo do material (COOPER; HARDMAN; BURHOP, 2003). O elemento refinador de grão do tipo TiB2, são normalmente mais potentes e de influência mais prolongada em relação ao TiC. São também bons nucleantes e possuem baixa solubilidade no alumínio líquido, pois o boro melhora o acabamento superfical e a resistência a fadiga. O carbono tem efeito similar ao boro, pois os carbonetos (TiC) são bons nucleantes, se decompõem com o tempo em altas temperaturas, possuem baixa solubilidade porém não são tão estáveis quanto o TiB2. O uso de TiB (nucleação) com o excesso de Ti (redução do crescimento de grão) fornece uma combinação ideal para o refino da microestrutura (MCCARTNEY, 1989). O refinador de grão é adicionado na forma de varetas ou vergalhões, e até mesmo o elemento titânio é adicionado no forno. As varetas (Figura 19(a)), são adicionadas na forma de TiBAl, utilizadas na calha de vazamento e o vergalhão (Figura 19(b)) é adicionado na forma de TiCAl, que utiliza o carbono como refinador de grão para evitar trincas nos tarugos. O vergalhão é injetado a uma velocidade de 100 cm/min (O`REILLY et al., 2000). Figura 19: Refinadores de grão: (a) varetas de TiBAl; (b) vergalhão de TiCAl. Fonte: (próprio autor, 2013). 35 Quando o metal sai do filtro A-622 e segue pela calha contínua, ocorre a injeção de vergalhão contra o fluxo do metal (Figura 20(a)), enquanto as varetas já se encontram na calha antes do vazamento (Figura 20(b)) (HADIA; GHANEYA; NIAZI, 1996). Figura 20: (a) Vergalhões adicionados durante a passagem do metal (ALCOA) (b) Varetas inseridas na calha na vertical e na horizontal. Fonte: (ALCOA, 2013). 3.3.1 Mecanismo de refinamento de grão O mecanismo de refino de grão envolve duas etapas sendo elas: o aumento da nucleação do alumínio sólido (dendritas) e restrição ao crescimento de grão (Figura 21). Figura 21: Representação do vazamento do metal com e sem o uso de refinador de grão. Fonte: (HYDRO, 2013). 36 O tamanho de grão nas ligas de alumínio fundidas depende da quantidade de núcleos de grãos no líquido e da velocidade de solidificação do metal. Assim, a diminuição do tamanho de grão nestas ligas, só é possível com o aumento do número de núcleos no líquido ou com o aumento da velocidade de resfriamento (SERGE, 2002). 3.4 UTILIZAÇÃO DO FILTRO CFF (CERAMIC FOAM FILTER) O último estágio, antes de o metal chegar até a mesa de tarugo, é passar pelo filtro CFF (Ceramic Foam Filter) onde mais uma vez há a retirada de impurezas do metal, através de uma tecnologia comum, de baixo custo, fácil operação e resultados excelentes. O modelo tortuoso do filtro é justamente para que o volume do filtrado diminua com o aumento da velocidade de fluxo, sendo que dentro do filtro há regiões mais turbulentas e regiões cujo fluxo é laminar, pois os poros mudam de tamanho e quanto mais fino forem, melhor e mais adequada será a remoção de partículas finas (Figura 22(a)) (MARTINS, 1996). Este produto é confeccionado com impregnação de espuma de poliuretano reticulado com argamassa cerâmica, mais aglutinante seguindo por subseqüente queima do material de espuma orgânica e cozimento da cerâmica para produzir uma ligação em alta temperatura. São fabricados filtros com poros de diversas polegadas e o utilizado atualmente pela planta da Alcoa é o de 50 ppi`s (poros por polegada quadrada), pois não há necessidade de uma melhoria de filtragem justamente por ser um metal primário, limpo, vindo das cubas ou sucatas selecionadas, sem muitas inclusões (Figura 22(b)) (AUBREY; CUMMINGS; OLIVER, 1996). Figura 22: (a) Filtro já encaixado; (b) Metal sendo vazado, caixa de filtro cheia de metal. Fonte: (próprio autor, 2013). 37 3.5 PROCESSO DE VAZAMENTO POR CABEÇA QUENTE (HOT TOP) O alumínio líquido é vazado na forma de tarugos por meio de equipamentos de vazamento, através do resfriamento direto (Direct Chill – DC) que pode ser semicontínuo, horizontal ou fundição contínua. O DC é uma das tecnologias mais antigas utilizadas pela Alcoa (desenvolvida na década de 30), no qual o alumínio se solidifica em contato com um molde refrigerado por água (ABAL, 2006). Esse método de vazamento hot top (cabeça quente), é o mais comum de vazamento de tarugos, onde o alumínio líquido sai dos fornos e é escoado através de uma calha refratária, até atingir a mesa de tarugos. A calha tem formato de “U”, com composição majoritária de Al2O3, SiO2 e Fe2O3 totalmente revestida por um composto denominado nitreto de boro, que é semelhante a uma tinta um pouco mais viscosa, entre outros compostos utilizados para minimizar os riscos de projeção do metal (Figura 23) (ALFA TREND, 2013). Figura 23: Representação do molde iniciando o vazamento. Fonte: (próprio autor, 2013). O termo “cabeça quente” refere-se ao vazamento, cujo topo dos moldes é aberto e rodeado por um anel refratário. O modelo hot top, se comparado ao convencional, elimina a necessidade de um controle do nível de banho, reduzindo assim, as perdas de calor, proporcionando um melhor acabamento superficial nos tarugos e criando uma zona de segregação inversa menor (Figura 24) (ESKING, 2008). 38 Figura 24: Comparação entre o métodos convencional e hot top. Fonte: ( NADELLA, 2008) 3.5.1 Montagem dos componentes da mesa Na Figura 25, estão os componentes de cada molde, que irá fazer parte da fabricação de um tarugo. A capacidade produtiva da mesa de moldes é de 30 tarugos e devem ser lubrificados antes do vazamento de metal. Esses moldes, assim como as ferramentas, devem ser livres de sedimentos, riscos, trincas, as quais podem certamente romper a camada sólida superficial que formará o tarugo. Os moldes podem ser redondos para produzir tarugos ou retangulares para produzir placas. Para a escolha desses materiais deve se atentar ao fato de que eles não podem reagir com o alumínio, não podem ser suscetíveis a corrosão, necessitam suportar elevadas temperaturas e lubrificações constantes. Alguns dos materiais que compõem os moldes são: aço, anel de grafite, material refratário, borracha vedadora, anel de isolamento, entre outros (LAWRENCE, 1994). Figura 25: Componentes que formam o molde e o molde que forma a mesa de tarugos. 39 Fonte: (próprio autor, 2013). Todo o controle do processo é feito através de um sistema computacional, que controla todas as variáveis e arquivam os dados simultaneamente para cada liga fabricada (Figura 26). Figura 26: (a) Controle das práticas específicas para cada liga; (b) Acompanhamento do processo de vazamento de tarugo. Fonte: ( próprio autor, 2013). 40 3.5.2 Mecanismos do processo A mesa de moldes é montada e trazida para o local onde se fabricam os tarugos. Ela é trocada e construída de acordo com o diâmentro do tarugo solicitado. Nas operações da hot top, cada forno tem metal disponível para duas caídas, ou seja, para fabricar um total de 60 tarugos. (ALCOA, 2013). O metal, após passar por todos os tratamentos já descritos, atinge a mesa de moldes, onde o alumínio subvaza por todas as 30 cavidades presentes. Os moldes, todos conectados, estão sob uma mesma mesa, contendo um pistão hidráulico e a cada sapata, irá descer e formar um tarugo e esse prcesso tem duração média de 1 hora (Figura 27). Figura 27: Total de 30 sapatas que serão os suportes para os tarugos. Fonte: (próprio autor, 2013). No início do processo, a mesa é totalmente aquecida para retirar possíveis umidades (Figura 28(a)). A velocidade de vazamento é de acordo com o diâmetro da liga e a vazão do metal é ajustada para manter o molde com o nível de metal desejado e através de um instrumento denominado gabarito (Figura 28(b)), é possível medir o nível máximo que o mesmo pode atingir, evitando que transborde, resfrie ou aqueça demais na calha. Caso o metal 41 venha a transbordar, há um procedimento realizado onde é liberado um caminho alternativo na calha, processo esse denominado drenagem. Figura28: (a) calha do metal sendo aquecida com o maçarico; (b) gabarito para controlar o nível do metal na calha. Fonte: (próprio autor, 2013). Durante o vazamento, todos os tarugos são resfriados pelo cone d’água sob temperatura média de 17ºC com uma vazão constante, sem oscilações de fluxo, em todos os pontos da superfície do molde, reduzindo assim as perdas de calor e garantindo uniformidade e bom acabamento superficial. Durante o vazamento, o tarugo pode ser dividido em diversas zonas com características significativamente distintas. Estas zonas estão representadas esquematicamente na Figura 29. O poço é constituído pela piscina de líquido e pela região de transição sólido/líquido. A região de transição é delimitada pelas linhas isotérmicas de liquidus e solidus e pode ser subdividida em duas zonas: zona slurry, com uma porcentagem de sólido inferior a 30% e a zona mushy, com uma elevada fração volumétrica de sólido. A fronteira, entre estas duas zonas, representa uma linha isotérmica de coerência, sendo que esta pode ser definida pela temperatura em que os grãos sólidos (normalmente as dendritas) começam a colidir umas com as outras. Figura 29: Diferentes zonas criadas no tarugo durante o vazamento: (1) piscina de líquido (zona liquidus); (2) região de transição; (1+2) – poço com 30% de sólido; (2+3) – zona slurry; (3) zona mushy. 42 fonte: ( NADELLA, 2008). A temperatura, velocidade de vazamento e o fluxo de água, são as variáveis do processo de fundição por resfriamento direto, que afetam a profundidade do poço de metal e podem potencialmente, influenciar nas condições térmicas no interior do molde. A elevação da temperatura de vazamento pode aumentar a profundidade do poço durante a solidificação, devido ao aumento de calor total que deve ser removido por transferência de calor até a superfície. A intensificação do fluxo da água promove uma extração de calor do banho, enquanto o aumento da temperatura de vazamento adiciona calor ao sistema (NADELLA et al., 2008). O aumento da temperatura de vazamento move as posições de liquidus e solidus no centro do tarugo para baixo, portanto uma temperatura de vazamento mais elevada provoca um menor resfriamento e uma maior quantidade de calor a ser removida do líquido. Estes fatores traduzem-se em uma maior variação de energia livre volumétrica, em um maior raio crítico e menor taxa de nucleação, sendo que a frequência de nucleação de novos grãos vão ser menor, o que se traduz numa estrutura granular mais grosseira. Quanto maior for a temperatura de vazamento, mais grosseira será a estrutura granular e maior será a porosidade. Esse processo vai gerar a segregação inversa, que será descrita ao longo do trabalho (NADELLA et. al., 2008). Se a temperatura do metal for muito alta vai ocorrer sangria, pois não haverá tempo para o metal formar a casca do tarugo e então vazará dentro do poço prejudicando, muitas vezes, todos os tarugos. Caso a temperatura esteja abaixo da ideal, ele tende a sofrer um 43 congelamento, ou seja, se solidificar antes mesmo de vazar, comprometendo assim a calha, a mesa e o molde (GARCIA, 2007). 3.6 SOLIDIFICAÇÃO DO METAL O início da solidificação do metal, em condições normais de temperatura e pressão, é dado pela formação de pequenos cristais, núcleos que crescem através de novas partículas presentes sobre elas, depositando-se segundo direções preferênciais que são os eixos de cristalização. Quando a solidificação é lenta permite tempo necessário para os átomos de elementos de ligas serem expelidos e formarem um sistema independente, formando fases separadas que precipitam na matriz e quando há resfriamento rápido, não há equilíbrio desses átomos, como é ocorrido na Hot Top (GARCIA, 2007). 3.6.1 Estruturas dendríticas A estrutura dendrítica se desenvolve na solidificação dos metais e pode ser explicada pela formação de núcleos cristalinos que se desenvolvem através de eixos primários e no decorrer do processo surgem novos eixos de crescimento secundários e terciários, atingindo o seu tamanho final conforme mostrado na Figura 30(a) (SHAKELFORD, 2008). O nome dendrita, vem do grego “dendron”, que significa ramos de folhas de árvores, justamente pela semelhança estrutural com a dendrita. O crescimento da dendrita é cristalográfico e ocorre dentro do grão, o qual contém subdivisões sendo que os cristais são orientados na mesma direção do braço mais longo da dendrita (FERRARI, 2008). As dendritas continuam a crescer até seus braços tocarem nas dendritas vizinhas. A sigla DAS é a representação do espaço medido entre dois braços da dendrita (Figura 30(b) e 30(c)) e essa distância é influenciada pela velocidade de solidificação, tecnologia do molde e extração de calor. Através desse espaço, pode-se obter a taxa de resfriamento do material durante a sua solidificação no vazamento e também pode ser um indicador de propriedades mecânicas, sendo que quanto menor o DAS, maior será a resistência do metal em altas temperaturas, reduzindo também a tendência de defeitos superficiais (DIETER, 1976). Figura 30: (a) Distância entre dendritas (metalurgia ABM); (b) distância entre os braços da mesma dendrita; (c) rede tridimensional de dendrita e a distância média entre eles (500X). 44 Fonte: ( próprio autor, 2013). 3.6.2 Estrutura do Grão Cristais de alumínio começam a se formar a 658ºC e sob tensão, as discordâncias movimentam-se no interior do grão, mas são ancoradas pelo seu contorno, enquanto os refinadores e outros elementos de liga formam intermetálicos e se concentram em grande parte nas regiões interdendriticas (Figura 31). Figura31: Taxa de solidificação que ocorre na hot top e formação dos contornos de grão . Fonte: (ALCOA, 2013). 45 3.6.3 Micro segregação A concentração de elementos de liga é diferente nos estados sólido e líquido, pois ocorre um “enriquecimento” das “camadas” que formam os grãos (microsegregação) e há uma precipitação de compostos de baixo ponto de fusão nos contornos de grão (Figura 32(a)), principalmente nas ligas de alta resistência que ao crescerem obterão diferentes composições na periferia e no núcleo. Os grãos formados possuem um gradiente de composição química, isto é, a composição varia do centro para a periferia, sendo que o último líquido a se solidificar (e que se situa no contorno de grão), tem temperatura de fusão mais baixa que o resto do material (RIOS; PADILHA. 2007), conforme visto na Figura 32(b). Figura 32: (a) metal líquido durante a solidificação, tarugo não homogeneizado e tarugo após a homogeneização; (b) Gradientes com diferentes composições químicas dentro do grão. Fonte: (próprio autor, 2013). 3.7 PÓS VAZAMENTO DO METAL Após o processo de vazamento hot top, realiza-se a sacagem de tarugos (Figura 33) onde eles são recolhidos através da ponte rolante com cabos de aços e são encaminhados para a serragem. Figura 33: Sequência do pós vazamento do metal, sendo esta etapa denominada de sacagem de tarugos. 46 (Fonte: próprio autor, 2013). No processo ocorre a serragem automática do pé e da cabeça dos tarugos que precisam ser descartados (Figura 34(a) e 34 (b)). Essa serragem é realizada porque são regiões com grande concentração de inclusões comparadas ao restante do tarugo, pois foram formados em condições de maior turbulência (início e final do vazamento) e é a região composta do primeiro metal que passou pela calha de vazamento e que certamente contém mais impurezas e maiores chances de aparecimento de trincas. Figura 34: (a) cabeça do tarugo; (b) pé do tarugo. Fonte: (próprio autor, 2013). Após ser serrado, com 5900 mm (Figura 35(a)), o metal desliza sobre o maquinário e na sequência ocorre a gravação/tipagem da liga, número de fusão e localidade. O registro é realizado com o instrumento visto na Figura 35(b) abaixo, denominado “pica-pau” (Figura35(c)) e na sequência os tarugos são encaminhados para a homogeneização. Figura 35: (a) Tarugo sendo serrado; (b) tarugo sendo automaticamente tipados; (c) tarugos já tipados. 47 Fonte: (próprio autor, 2013). 4. PROCESSO DE HOMOGENEIZAÇÃO O tarugo no estado bruto tem sua composição química não homogênea e possui a presença de compostos de ferro grosseiro, precipitados de elementos de liga que riscam a ferramenta no processo de extrusão, presença de partículas com baixo ponto de fusão e tensões residuais (KRAUSS, 1989). A partir de agora, os tarugos serão organizados para o tratamento térmico de homogeneização, que ocorre no forno HO (Figura 36) e, posteriormente, na câmara de resfriamento. A principal finalidade é promover a precipitação de Mg2Si, devendo os precipitados estarem dispersos homogeneamente na matriz e com o menor tamanho possível e também modificar estruturalmente a fase beta (β-AlFeSi) para a fase alfa (α-AlFeSi), promovendo mudanças microestruturais (BACKERUD; JOHNSSON. 1996). Figura 36: Forno de homogeneização (a esquerda) e câmara de resfriamento (a direita). Fonte: ( próprio autor, 2013). 48 4.1 OS OBJETIVOS DA HOMOGENEIZAÇÃO Tem como objetivo uniformizar a composição química dentro dos grãos. Sob condições cinéticas e termodinâmicas são dissolvidos os precipitados de baixo ponto de fusão nos espaços interdendríticos precipitando assim os constituintes e dissolvendo as fases intermediárias, reduzindo as tensões residuais inertes à solidificação. Também é melhorada a condutividade elétrica, o processo de extrusão e anodização (BOUDHUS; SAGSTAD, 2000). Porém a homogeneização não altera a macroestrutura, escrita chinesa, qualidade superficial do tarugo, não afeta ou muda a estrutura básica de grãos, podendo ainda causar seu crescimento exagerado (recristalizacao secundária) (HUNTER et al., 1990). Na homogeneização ocorre a transformação do intermetálico β-AlFeSi para a morfologia α-AlFeSi que são menores e mais arredondadas. Durante o aquecimento, as partículas beta são submetidas à fragmentação de sua estrutura e a partir daí, começam a se esfereodizar em partes menores e como resultado temos partículas mais finas, mais curtas e que geram menores defeitos em seu redor, melhorando as propriedades mecânicas. Ocorre também no tratamento térmico, a precipitação dos elementos magnésio e silício que precipitam na forma de Silicato de Magnésio (Mg2Si), o qual proporciona um considerável aumento na resistência do material devido ao endurecimento por precipitação (Figura 37). Outra fase também encontrada chama-se escrita chinesa, sendo esta uma fase estável (produto de uma reação de equilíbrio), cuja composição é AlFeSi, muito prejudicial para o processo de extrusão (HOFFMAN, 2011). Figura 37: Esquema do que ocorre com a microestrutura do alumínio. 49 Fonte: ( próprio autor, 2013). A homogeneização é fundamental para o processo posterior, que é a extrusão, sendo assim um tratamento térmico feito nos tarugos com a finalidade de melhorar a extrudabilidade, o desempenho, o acabamento superficial e as propriedades mecânicas dos perfis (ABAL, 2005). 4.1.2 Forno de homogeneização e a câmara de resfriamento Tanto o aquecimento quanto o resfriamento, são realizados através de três ventiladores compondo as três zonas existentes em cada câmara (Figura 38 (a)) que impulsionam o ar a uma dada temperatura. Essas câmaras ou fornos devem estar em ótimas condições para garantir a homogeneidade do processo, seu isolamento deve ser suficientemente bom, as portas bem vedadas, os defletores bem posicionados, o número de filas de tarugos devem ser compatíveis com a capacidade do forno para que não se prejudique o fluxo de ar (Figura 38(b) e 38(c)) (DOSSET, 2006). Figura 38: (a) Representação das três zonas existentes nas câmaras; (b) vista lateral das linhas de correntes de fluxo para a direita (aquecimento); (c) vista lateral das linhas de correntes de fluxo para a esquerda (ventilação). 50 Fonte: (próprio autor, 2013). O transporte da carga de tarugos, do aquecimento para o resfriamento, não pode ultrapassar 10 minutos. Os fornos são conectados com um sistema computacional, da mesma forma que ocorre na Hot Top, e para toda carga que entra no forno há o controle do processo, de acordo com os requisitos vazão, fluxo, temperatura, circulação de ar, controle do banco de resistências, entre outras como mostrado abaixo (Figura 39). Figura 39: Controle computacional: (a) das resistências; (b) dos ventiladores. Fonte: (próprio autor, 2013). 4.1.3 Gráfico do tratamento térmico O ciclo de tratamento é composto basicamente por três etapas: aquecimento, encharque e resfriamento. O período de aquecimento (step 1) no forno, termina quando um dos dois termopares de controle mantém-se na temperatura alvo por 15 minutos ( 550ºC ± 5 51 ºC ou 570ºC ± 5 ºC ) e tem duração de 7 a 8 horas. A partir de então, começa a contar o tempo de encharque ou soaking time (step 2), onde a disparidade entre as temperaturas é menor e tem duração de 2 horas. O aquecimento ocorre a uma taxa de 100ºC a 200ºC por hora e no final dessa etapa a carga de tarugos é resfriada por 5 horas contínuas (Figura 40) (ALCOA, 2013). Figura 40: Gráfico esquemático do tratamento térmico: (1) aquecimento (7 a 8 horas), (2) tempo de encharque (soaking time) (2 horas), (3) resfriamento (5 horas). Fonte: ( próprio autor, 2013). Para controle da eficiência dos fornos e do processo de homogeneização são realizados surveys, testes que através de termopares, mostram as temperaturas de vários pontos da carga de tarugos, permitindo avaliar a eficiência do processo. Na Figura 41, é visualizado o tratamento completo da carga HO onde mostra as partes do gráfico de aquecimento, enxarque e resfriamento. 52 Figura 41: Gráfico do tratamento térmico completo e separado em suas três etapas: (a) aquecimento, encharque e resfriamento; (b) aquecimento (c) encharque e (d) resfriamento. Fonte: (próprio autor, 2013). Outra análise é realizada no ponto quente e no ponto frio da carga, regiões mostradas na Figura 42. O ponto quente (PQ) é o que atinge a temperatura de encharque mais rápido dentro do forno e o ponto frio é o que mais demora para atingir essa mesma temperatura. Neste gráfico nota-se que o ponto quente a um dado tempo, atinge uma temperatura maior que o ponto frio, o que é esperado e por isso que o tempo de encharque é importante, pois nele os tarugos estão na temperatura mais igualitária possível. 53 Figura 42: (a) Localização do ponto quente e do ponto frio nas cargas; (b) gráfico do processo de aquecimento. Fonte: (próprio autor, 2013). 4.1.4 Destino final dos tarugos Os tarugos, até então produzidos, serão embarcados e destinados para o processo de extrusão feito com prensas hidráulicas horizontais (Figura 43(a)) que empurram os perfis e 54 geram variadas formas com diferentes complexidades geométricas (Figura 43(b)), (GONÇALVES, 2003). Figura 43: (a) Esquema do processo de extrusão direta; (b) perfis extrudados. (Fonte: ABAL, 2013). Neste gráfico (Figura 44), a parte em destaque se refere ao fato do tarugo necessitar ser primeiramente homogeneizado para depois ser encaminhado para a extrusão. Figura 44: Área destacada evidenciando que o processo e o tratamento térmico que devem ser realizados antes da extrusão (ABAL). Fonte: (ABAL, 2013). 55 Finalmente, os tarugos são amarrados em feixes e estocados no pátio, onde os mesmos permanecem aguardando liberação, colocação de selo de aprovação de acordo com as especificações de qualidade, para assim serem destinados aos clientes (Figura 45). Figura 45: Pós vazamento: (a) Feixe sendo levados para o pátio; (b) tarugos verificados, identificados e aguardando o embarque. Fonte: ( prórpio autor,2013). 5. MATERIAIS E MÉTODOS 5.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS (MACROESTRUTURAL) São realizadas semanalmente análises laboratorias, tanto da macro como da microestrutura com amostras homogeneizadas retiradas do ponto quente (PQ) e do ponto frio (PF) para garantir que sejam enviadas aos clientes dentro das especificações de qualidade. O ataque químico é realizado na capela, pois são utilizados reagentes químicos fumegantes que precisam de um sistema de exaustão junto com água corrente. É preparado 1 litro de solução Água Régia ou Poulton (Figura 47(a)), que é suficiente para atacar seis amostras de 178 mm de diâmetro de acordo com as seguintes ordens: 380 mL água destilada, 370 mL ácido clorídrico e 250 mL ácido nítrico. As amostras são envolvidas com fita crepe em toda sua borda, a fim de se formar uma região para que se possa despejar a solução, assim 56 como é visto na Figura 47(b). As amostras são atacadas de 6 a 8 minutos e após isto, já estão prontas para serem analisadas (ISHIKAWA, 2008). Figura 47: (a) 1 litro da solução de Vitória Régia, ou Poulton; (b) amostras durante o ataque químico. Fonte: (próprio autor, 2013). As três amostras abaixo (Figura 48) são de acordo com a sequência de análise, partindo a amostra em seu estado inicial. Figura 48: (a) Amostra limpa; (b) amostra como as três marcas do durômetro; (c) amostra já reagida como o ataque químico. Fonte: (próprio autor, 2013). 5.2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS (MICROESTRUTURAL) Para que seja analisada a microestrutura, é necessária uma preparação mais elaborada das amostras com os equipamentos laboratoriais vistos na Figura 49. 57 Fonte: ( próprio autor, 2013). A preparação da amostra é feita cortando-a com a serra de fita e posteriormente com a serra cut-off, onde se retiram partes (da periferia e do meio raio) conforme vistas abaixo na Figura 50. Figura 50: (a) Esquema de como são retiradas as amostras do disco do tarugo; ( b) amostra utilizada para tal procedimento. Fonte: (próprio autor, 2013). São retiradas as rebarbas existentes com a lixadeira e as amostras são envoltas, duas a duas, por fita crepe para evitar que soltem no processo de embutimento (Figura 51(a)). No total são duas partes da região de ponto quente e duas partes da região de ponto frio. O embutimento é realizado através da prensa hidráulica (embutidora), onde ocorre o processo de polimerização da resina sintética baquelite em torno de 150ºC e como produto obteremos a amostra pronta para a análise (Figura 51(b)). Figura 51: (a) amostras que serão analisadas prontas para serem embutidas; (b) amostra já embutida. 58 Fonte: ( próprio autor, 2013). O lixamento é realizado com água corrente na lixadeira elétrica, utilizando as lixas d’água de granulometrias: 220, 320, 400, 600 respectivamente. É importante eliminar os riscos, formação de planos distintos, cone de abaulamento do corpo de prova porque os mesmos são dificilmente corrigidos no polimento (COLPAERT, 1974). Depois de lixadas, as amostras passam pelo processo de polimento na polidora com a finalidade de garantir uma melhor superfície, tornando-a praticamente espelhada. A amostra fica em contato com Brasso, substância composta de agentes de polimento, solvente de petróleo, oleína, silicato de alumínio, fragrância e depois outro polimento é realizado com suspensão polidora de sílica coloidal, cada polimento com duração de 15 minutos (KOLOSOSKI, 2008). Finalmente com o Ácido Fluorídrico 0,5% (0,5 ml de ácido e 99,5 ml de água), ácido considerado reativo universal para revelar a micrografia de ligas de alumínio, a amostra é reagiada permanecendo durante 8 segundos sob uma pequena e constante agitação dentro do béquer. Assim, as amostras estão prontas para serem analisadas de acordo com alguns parâmetros (Tabela 04): Tabela 04: Parâmetros de referencia das microestruturas estudadas (ALCOA). 59 5.2.1 Análise PoDFA . São também realizadas periodicamente análises microscópicas com o equipamento denominado PoDFA (Pourus Disc Flitration Apparatus), que tem como finalidade detectar inclusões através de uma filtração forçada do metal. As impurezas ficarão retidas no disco poroso da câmara de pressão e as melhores práticas estipulam que as concentrações dessas inclusões devem ser menores que 0.2 mm2/Kg ) (ALCOA, 2013). O instrumento pode ser observado nas Figuras 52(a) e 52(b). Figura 52: (a) Esquema do processo PoDFA; (b) PoDFA sendo utilizado. (Fonte: próprio autor, 2013). Parâmetros de Referência Características Parâmetro Ideal Padrão de Equipamento para Medição Tamanho de Grão 80 a 150 µ m Microscópio Ótico (100 X) Porosidade Máxima 30 / mm² Microscópio Ótico (200 X) Fase β < 5% Microscópio Ótico (400 X) Fase α < 90% Microscópio Ótico (400 X) Mg2Si 1 µm icroscópio Ótico (400 X) Filmes de óxidos < 90 µm Microscópio Ótico (400 X) Segregação Inversa < 1000 µm Microscópio Ótico (100 X) 60 A planta de Poços de Caldas possui impurezas nos metais, mas nada que possa ser considerado uma não-conformidade. Apenas possuem traços de Al4C3, quantidades muito baixas de MgO (cubóides), MgAl2O4 (espinélios) e algumas poucas partículas de refinadores de grão na forma de boreto e carbeto (Figura 53) (ABAL, 2006). Figura 53: Imagem das inclusões que a análise PODFA detectou do metal da planta. Fonte: (ALCOA, 2013). 6. ANÁLISES E DISCUSSÃO 6.1 ANÁLISE MACROESTRUTURAL A seguir, serão descritas as análises da macroestrutura (visível a olho nu), iniciando com a medida de dureza da amostra e na sequência verifica-se tamanho de grão, pré- solidificação e camada de refusão. 6.1.1 Dureza Define-se como a medida da resistência de um metal, à penetração de um penetrador de aço temperado de 10 mm de diâmetro (Figuras 46(a) e 46(b)). O termo “dureza” determina a propriedade mecânica do material e é muito utilizado em estudos e pesquisas, principalmente quando se refere a materiais metálicos. Para tal medição, é utilizado o método 61 Brinell, a superfície da amostra deve ser plana, com espessura adequada e a temperatura entre 18ºC e 20ºC. (Figuras 46(a) e 46(b)). (VÍTOLO; PERDIAGÃO, 1986). Figura 46: (a) Ponteira de aço realizando a medição; (b) Durômetro. Fonte: (próprio autor, 2013). 6.1.2 Tamanho de grão O tamanho de grão é um dos fatores mais importantes para garantir boas propriedades mecânicas ao material. Ele é calculado confome as normas ASTM E112 e, para tarugos, eles devem ser de tamanho 3 ou 4 (Figura 54). O material com granulação fina é mais duro e resistente do que o material que possui granulação grosseira, pois possui maior quantidade de contornos de grãos, dificultando a movimentação das discordâncias. O refino de grão ajuda não só a aumentar a resistência do material, como também aumentar a sua tenacidade (BRAGHETTO, 1994). Figura 54: Porcentagem da incidência do tamanho de grão. 62 Fonte: (próprio autor, 2013). .1.3 PRÉ-SOLIDIFICAÇÃO Outra análise realizada é a verificação ou não da presença de pré-solidificação, que são cristais mais grossos, de natureza e tonalidade diferentes e com um diâmetro nitidamente maior (Figura 55). Como o próprio nome indica, a pré-solidificação são aglomerados que cristalizam antes da solidificação principal e são consequentemente mais puros que o metal circundante. Figura55: Pré-solidificação. (Fonte: ALCOA, 2013). 8% 5% 38% 49% Tamanho de Grão ASTM 1 2 3 4 63 6.1.4 Camada de refusão A camada de refusão é também conhecida como shell zone e é a camada do tarugo que primeiro fica em contato com o molde, sendo que quanto menor a camada de refusão, haverá menos volume de tarugo com diferença de microestrutura. A camada de refusão possui uma elevada concentração de fases insolúveis, grosseiras e é uma região de grãos não uniformes, causada pela mudança na taxa de resfriamento entre a região de resfriamento primário e secundário, diferenciando-se assim dos grãos do interior do tarugo (CHIAVERINI, 1986). A camada de refusão é uma área contendo quantidades superiores de elementos de liga e uma mudança na estrutura cristalina. É formada na casca do tarugo devido à refusão e que acontece entre a primeira e a segunda solidificação do metal (Figura 56). O metal líquido (molten metal) ao entrar em contato com o anel de grafite (graphite Ring) sofre a sua primeira solidificação contraindo-se, porém a parte interior do tarugo, ainda está líquida e fica recoberta por esta casca solidificada. A parte líquida faz com que a casca do tarugo sofra o processo de refusão, até que este encontre o fluxo de água (aproximadamente 240 m³/hr) presente no processo, sofrendo a sua segunda solidificação. Figura 56: Molde de tarugos (Corte Trasversal). Fonte: ( próprio ALCOA, 2013). T-Plate Refractary Aluminum mold Water Flow Water Flow Molten Metal b b Graphite Ring Actual 64 O tempo entre essas duas solidificações também é o tempo necessário para que os elementos de liga, presentes na composição química do metal, se difundam do sólido da casca para o interior líquido e novamente se difundam na casca (borda). Neste instante, no início dessa refusão, é que ocorrem as mudanças cristalinas e o aumento da concentração de tais elementos nesta área do metal, formando a segregação inversa que será discutida ao longo do trabalho (Figura 57(a)) (BERGMANN, 1973). A região que se solidifica primeiramente é a que está em contato com a parede do molde, porém devido ao fluxo convectivo do próprio volume e calor do metal fundido, ocorre um superaquecimento, refundindo os braços dendítricos na interface sólido/líquido. Pelo projeto dos moldes de grafite e das técnicas de vazamento como: vazão de água, temperatura e velocidade, é possível controlar a espessura da camada de refusão (BECKERMANN, 2001). A camada de refusão é medida com auxílio de um paquímetro digital (Figura 57(b)), e a variação no tamanho da camada de refusão é de acordo com a característica e tecnologia de cada molde e o convencional é capaz de trabalhar com valores menores que 2 mm. Figura 57: (a) Esquema da ocorrência da camada de refusão; (b) medição da camada de refusão, como o paquímetro digital. Fonte: ( próprio autor, 2013). 65 6.2 ANÁLISE MICROESTRUTURAL Para se entender melhor o que ocorre com a microestrutura do metal no final do processo, é necessário retornar as ocorrências do processo de solidificação e homogeneização para, de fato, verificar quais transformações sucedem a nível microestrutural. Será destacada a segregação inversa no próximo tópico e na sequência as transformações de fase de AlFeSi, escrita chinesa e a ocorrência de precipitados grosseiros de Mg2Si primário, entre outras ocorrências microestruturais (TOTTEN; MACKENZIE, 2003) 6.2.1 Segregação inversa A segregação inversa é um fenômeno que ocorre na solidificação do metal (hot top) e assim como para a maioria dos metais, observa-se uma contração volumétrica na solidificação. Durante a solidificação, nota-se uma intensa convecção da fração líquida e assim ocorre fluxo de líquido em sentido oposto à direção de crescimento. Como durante a solidificação o sólido segrega o soluto para o líquido, os canais interdendríticos recebem esse líquido rico em soluto fazendo com que eles fiquem aprisionados nas regiões interdendríticas mais externas do tarugo. Este fenômeno, em que a distribuição de soluto é oposta àquela observada para a segregação esperada em direção ao centro do tarugo, é conhecido como segregação inversa. Quando essa região se solidifica, ela se transforma numa zona bastante heterogênea, solidificada fora da condição de equilíbrio, com maior concentração de impurezas interdendríticas e fases insolúveis. Abaixo, podemos observar a região onde ocorre a segregação inversa (borda do tarugo) e como ela é vista no microscópio (Figura 58 (a) e (b)). Figura 58: Representação da região em que se encontra segregação inversa (liga 6063); (b) imagem microscópica da segregação inversa (ampliação 100x). 66 (Fonte: próprio autor, 2013). A intensidade da segregação inversa depende de vários fatores como: temperatura do metal líquido, gradiente térmico, taxas de resfriamento e de solidificação, composição química do fundido e moldes que compõem a mesa de tarugos. A segregação inversa interfere diretamente no desempenho do processo de extrusão, assim como a camada de refusão. Quanto menos intensa for à segregação, menor será o descarte de material do tarugo e consequentemente maior será a produtividade, maior valor agregado ao produto, maior satisfação e atendimento às necessidades do cliente. 6.2.2 Mecanismos do processo Na solidificação de um metal, normalmente espera-se segregação e maior concentração de soluto na zona central do tarugo, porém a segregação inversa ocorre na direção radial e periférica do tarugo. Todo componente metálico apresenta em sua composição impurezas oriundas do processo e grande parte delas fica retida e se solidificam próximas a periferia no processo de vazamento Hot Top (Figura 59). Figura 59: (a) Direção do fluxo do metal; (b) Representação das direções que ocorrem a segregação. 67 Fonte: (próprio autor, 2013). Considerando a solidificação de uma liga metálica com alto volume de soluto, pode-se esperar que o último metal a se solidificar seja rico em soluto, pois havendo um crescimento dendrítico pronunciado, há também, um fluxo desse líquido (rico em soluto) se deslocando entre ramos interdendríticos e em sentido oposto, consequentemente havendo concentrações muito maiores nas bordas do tarugo (Figura 60). Figura 60: Crescimento dendrítico junto à parede do molde. 68 Fonte: (METALURGIA ABM, 2013). Conforme a dendrita cresce e engrossa com a solidificação, a distribuição de soluto produzirá um gradiente de concentração do centro para a superfície da dendrtita, semelhante a um caroço, pobre de soluto, envolto em uma polpa com maiores concentrações. O acúmulo de soluto entre os braços dendríticos pode levar à formação de uma segunda fase, que pode atingir volumes significativamente maiores do que aqueles previstos pelo diagrama de equilíbrio. 6.3 AS FASES DE AlFeSi Na transformação da fase β-AlFeSi para a fase α-AlFeSi é esperado que haja uma transformação maior ou igual a 90% e, para isso, as condições de tempo e temperatura de homogeneização devem ser suficientes. O tamanho de fase α-AlFeSi deve ser no mímino 70% menor ou igual a 10 µm e no máximo 30% das partículas devem medir entre 10 µm a 30 µm. A morfologia das fases são alteradas, sendo que as alongadas e retas são fragmentadas, tornando-se menores, mais arredondadas, evitando pontos frágeis e concentradores de tensões no material (ALCOA, 2013). 6.3.1 Características das fases A fase β-AlFeSi é a fase primária, grosseira, metaestável, monoclínica, constituinte insolúvel em forma de agulha longa e dura, geralmente presente no contorno de grão ou em 69 partículas menores na junção de 3 grãos. A fase α-AlFeSi é a fase de equilíbrio, arredondada, estável, dúctil, de baixa dureza, com estrutura cristalina de corpo centrado, formada por uma mudança na estrutura cristalina menos prejudicial no processo de extrusão. A fase alfa é obtida através da solidificação mais lenta durante o vazamento (reação de equilíbrio) ou no estado sólido, mediante altas temperaturas, a partir da fase beta (Figura 61) ((MARC; KRISEN, 1982). Figura 61: Exemplo de transformação da fase beta para a fase alfa. Fonte: ( ALCOA, 2013). Abaixo, estão representadas as imagens da mesma microesturura do processo de homogeneização à medida que vai ocorrendo as transformações para a fase α-AlFeSi (Figura 62). Figura 62: Transformação de fase (aumento de 500x): (a)87 á 88%; (b) 89 á 90%; (c) 91 á 92% aumento; (d) 93 á 94%; (e) 95 á 96%; (f) 97 á 98% . 70 Fonte: (ALCOA, 2013). 6.4 ESCRITA CHINESA A composição da escrita chinesa é AlFeSi que é uma fase estável (produto de uma reação de equilíbrio) alongada, não fragmentada, concentrada, muito ruim para o processo de extrusão devido ao seu tamanho, morfologia e por comprometer a propriedade mecânica do 71 material com pontos frágeis. Essa fase não desaparece mediante tratamentos térmicos, mas pode ser parcialmente fragmentada e arredondada a um certo tempo e temperatura (PADILHA, 2007). A escrita chinesa (Figura 63(a) e 63(b)) é formada no processo de solidificação, devido ao resfriamento muito lento do metal dentro do molde e uma das causas é devido ao anel de grafite tornar a taxa de resfriamento mais lenta, pois esse anel é isolante térmico. Outro fator está associado ao refino insuficiente ou quantidade de ferro muito elevada na liga. As partículas de ferro são automaticamente separadas em três classes, com formas e parâmetros de distribuições espaciais diferentes, sendo elas: α-AlFeSi, β-AlFeSi e a escrita chinesa (ALCOA, 2013). Figura 63: Escrita chinesa (aumento 400x). Fonte: ( próprio autor, 2013). 6.5 DISTRIBUIÇÃO UNIFORME DO MG2SI A estrutura do metal, na condição bruta de fundição, constitui-se de dendritas com elementos de liga em solução sólida, rodeadas de partículas de intermetálicos, compostos de baixo ponto de fusão (eutéticos) e precipitados de elementos de liga (como Mg2Si). Algumas 72 dessas fases podem ser eliminadas ou refinadas na homogeneização, mas outras não se modificam, devendo-se buscar seu controle durante o vazamento do tarugo, através de técnicas de fundição (LANGER, 1986). O mecanismo de endurecimento das ligas de alumínio tratáveis termicamente somente é possível porque os elementos de liga têm solubilidade alta em temperaturas próximas a 500ºC, fazendo com que as partículas se dissolvam no alumínio. Ao se aquecer o tarugo na faixa de solubilização, os precipitados irão se dissolver no alumínio e através de um resfriamento lento, as partículas voltam a se formar, e quando o metal é resfriado os átomos tem dificuldades para se movimentarem, apenas conseguem se deslocar por distâncias curtas, formando núcleos de precipitados que aumentam a resistência mecânica (BUHA, 2005). 6.5.1 Estequiometria dos compostos A homogeneização altera a quantidade de silício disponível para a formação de Mg2Si. Na homogeneização, o silício sai da fase β-AlFeSi para se unir com o magnésio formando Mg2Si e, quando em excesso, o silício vai para a solução sólida ajudando também a melhorar as propriedades mecânicas. A proporção de ferro e silício é mais baixa na fase beta do que na fase alfa, e essa taxa é diferente se o material é ou não homogeneizado. O ferro, por exemplo, é uma das impurezas mais comuns nas ligas de alumínio e sua solubilidade em solução sólida (em temperatura ambiente) é muito baixa, assim combinando- se com o alumínio e com o silício para formar partículas de intermetálico AlFeSi, sendo que apenas um saldo ficará disponível para o precipitado endurecedor Mg2Si, como é observado no esquema (Figura 64) (DONS; DALL, 1999). Figura 64: Esquema da formação dos microconstituintes da estrutura da série 6XXX. 73 Fonte: (ALCOA, 2013). Na primeira hora de tratamento térmico, o magnésio e o silício já se encontram difundido em solução sólida, porém no resfriamento é que ocorre a precipitação Mg2Si que tende a permanecer nos contornos de grão, e não mais que 10% dessas partículas devem ser maiores que 5 µm (Figura 65(a) e 65(b)) (BIROL, 2004). Figura 65: Visualização das partículas de Mg2Si: (a) em campo claro; (b) em campo escuro. Fonte: (ALCOA, 2013). 74 No resfriador ocorre a precipitação do microconstituinte, porém não há controle da distribuição e uniformidade dos precipitados, os quais podem ser encontrados nas formas de beta (β-Mg2Si) e de beta prime (β’-Mg2Si), detectados através de análises metalográficas e possuem diferentes tamanhos e distribuições sendo que ambos coexistem no recozimento (Figura 66) (CORRADI, 2006). Figura 66: Estruturas do Mg2Si : (a)Mg2Si agulhado; (b) Mg2Si fino. Fonte: (ALCOA, 2013). O precipitado β-Mg2Si possui forma agulhada, contem um excesso de silício em sua microestrutura, são precipitados mais grosseiros, coalescem rapidamente em altas temperaturas, são iguais ou menores que 2 µm e são geralmente maiores que os precipitados β’-Mg2Si. Este último, são precipitados bem menores em relação ao β-Mg2Si, possuem um crescimento bem mais lento em altas temperaturas e cujo tamanho não deve ultrapassar de 1 µm, como visto no gráfico (Figura 67). A taxa e a temperatura final do resfriamento são importantes para determinar a morfologia de precipitação de fase Mg2Si. O ideal é que essa fase seja precipitada de forma bem arredondada, refinada, distribuída homogeneamente na matriz e nos contornos de grãos. 75 Esse procedimento ajudará o material a ganhar propriedade mecânica (NOWOTNIK; SIENIAWSKI, 2005). Figura 67: Gráfico das microestururas contendo de Beta (β) e Beta Prime (β). Fonte: (ALCOA, 2013). 6.6 Cavidade de contração São vazios formados por contração na solidificação por faltar alimentação de metal líquido. A maioria dos metais apresenta aumento significativo de volume durante sua fusão, porém essa variação de volume manifesta-se como uma contração durante a transformação inversa do líquido para o sólido, ou seja, quando o metal é resfriado. Se não for dada atenção suficiente para assegurar que todas as partes da peça fundida estão preenchidas com metal líquido durante todo o processo de solidificação, as áreas contendo líquido podem ficar isoladas e aparece então a contração na forma de cavidades com formato irregular. Essas cavidades são bastante dispersas e localizadas abaixo da superfície do tarugo, sendo portanto dificilmente detectadas (Figura 68). As possíveis causas são alta velocidade de vazamento do metal ou então possíveis falhas no sistema de resfriamento (cone d’ água). (CLODE, 1986). Figura 68: Cavidades de contração. 76 Fonte: (próprio autor, 2013). 6.7 Inclusões de óxidos As inclusões de óxidos resultam no aprisionamento de impurezas superficiais, muitas vezes vindas de excesso de refinador de grão e podem ser facilmente vistas após a usinagem na superfície do fundido como indicado na Figura 69. As ligas de alumínio são muito suscetíveis a formação de uma camada fina e contínua de óxido, devido ao contato com o oxigênio do ar que formam na superfície de banhos. A partir de operações turbulentas e agitações constantes no metal, pode ocorrer a incorporação desse filme que após solidificação, passa a fazer parte da peça (GUY, 1980) Figura 69: inclusões detectadas com o PODFA Fonte: (próprio autor, 2013). 77 6.8 Porosidade A porosidade é a formação de pequenas bolhas devido à alta temperatura do metal na presença de hidrogênio e causa defeitos tanto na proporção micro, quanto na proporção macroscópica (Figura 70). Ocorre devido à diminuição da velocidade de solidificação, alta temperatura do metal durante o processo de vazamento, velocidade ineficaz do rotor e fluxo de gás. O número de poros deve ser menor ou igual a 30 poros/mm2. Nota-se que quanto maior a temperatura de aquecimento do alumínio líquido, maior será o volume de hidrogênio na forma de bolhas dentro do metal, como mencionado. Pode-se concluir que uma boa prática operacional não superaquece o metal líquido, procurando mantê- lo o mais próximo possível do ponto de solidificação, compatível com as condições de vazamento (ABAL, 2006). Figura 70: Poros observados no microscópio . Fonte: (próprio autor, 2013). 6.9 FUSÃO DE EUTÉTICO Quanto mais elevada estiver a temperatura, mais rapidamente se consegue a homogeneidade dos tarugos, porém a temperatura de homogeneização não deve ultrapassar o mais baixo ponto de fusão dentre todos os elementos ou compostos presentes, pois quando isso ocorre deixa vazios localizados, causando danos microestruturais provocados pela fusão dessas fases, como observado na Figura 71. Esta ocorrência pode ser detectada 78 micrograficamente e a morfologia desses vazios são arredondadas e estão dispersas em grande quantidade no material. Figura 71: Ocorência de fusão de eutetico, em uma liga 6351 (aumento de 200x) (ALCOA); (b) Fusão de eutetico, em uma liga 6351 (aumento de 100x). Fonte: (próprio autor, 2013). 6.10 OUTROS DEFEITOS IDENTIFICADOS NA MACROESTRUTURA Defeitos na macroestrutura são as ocorrências mais comuns vistas nos tarugos no processo de refusão. Como já foi visto, o controle do material que não estiver conforme os requisitos especificados serão separados e o cliente será consultado sobre a possibilidade de sua liberação, caso contrário será destinados a refusão. Alguns dos problemas encontrados são: exudação, junta fria, rugosidade, zíper, agarramento de metal, sangria, empenamento, bolha, marca de espaçador, óxidos na superfície, porosidade, ondulação e trinca. Outras características avaliadas para a aprovação da qualidade externa dos tarugos são, por exemplo, verificar se estão dentro do intervalo estipulado para ângulo de corte, comprimento e diâmetros dos tarugos. 79 6.10.1 Exsudação Defeito caracterizado pela formação de sulcos e estrias transversais na superfície do tarugo sendo a máxima tolerância permitida de 1,6 mm de profundidade (Figura 72(a) e 72(b)). Figura72: Exudação (a) tarugo não homogeneizado; (b) tarugo homogeneizado. Fonte: ( próprio autor, 2013). 6.10.2 Juntas frias São fissuras transversais, descontinuidades ou dobras (Figura 73), que podem aparecer em qualquer parte da