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