Grupo de Tixoconformação Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas

Transcrição

1 Processamento de ligas no estado semi-sólido: sólido:novas aplicações e produtos Grupo de Tixoconformação Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas

2 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixoformabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

3 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

4 Fundição Conformação a partir de estado líquido T T liq T v T e T sol transformação de fase L S em moldes A % B

5 Final dos anos 80 fundição a partir de estado semi-sólidosólido (fs ~ 50-60%) T T liq Reofundição T v Tixofundição A T e % B Tixoconformação Processamento semi-sólidosólido (PSS) / (SSM)

6 Solidificação convencional a partir de líquidos (T v > T liq ) Nucleação núcleos esféricos Crescimento Dendritas (segregação e difusão limitada de soluto no líquido) Foto: R. Fuoco MISTURA LÍQUIDO/SÓLIDO PERDE FLUIDEZ

7 Se em T liquidus > T > T solidus Formação de dendritas Perda de fluidez Na reo/tixofundição T v < T liq Como preencher moldes com metal semi-sólidosólido (fs ~ 50-60%)?

8 Reo / Tixofundição Fundição a partir de estado semi-sólidosólido particular T T tixoconf. sólido globular + líquido A % B Pasta com comportamento reológico particular: escoamento tixotrópico trópico MHRobert

9 SEMI-SÓLIDO SÓLIDO NÃO DENDRíTICO Aglomerados tridimensionais de partículas globulares da fase sólida Aglomerados podem ser destruídos pela aplicação de tensões que rompem as ligações entre glóbulos COMPORTAMENTO DE ESCOAMENTO TIXOTRÓPICO MHRobert

10 COMPORTAMENTO DE ESCOAMENTO TIXOTRÓPICO em repouso mantém integridade comporta-se como sólido mesmo com f l ~ 40% sob tensão comporta-se como líquido mesmo para f s ~ 60% fluxo laminar (não turbulento) mesmo com variações de seção Liga de Al MHRobert

11 Video por P.Kapranos, UK. MHRobert

12 Dado o comportamento tixotrópico da pasta reo ou tixofundida PSS Fundição sob pressão Fundição por compressão

13 PSS 1. Fabricar a pasta Injetar em moldes REOFUNDIÇÃO 2. Fabricar a pasta Resfriar a pasta em coquilhas Armazenar sólido TIXOFUNDIÇÃO Injetar em moldes Reaquecer ao estado semi-sólido sólido

14 Tixofundição Fabricação da pasta Resfriamento da pasta Fundição Reaquecimento ao estado semi-sólidosólido

15 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

16 Preenchimento do molde na fundição sob pressão Metal líquido Metal semi-sólidosólido t 1 t 1 t 2 t 2

17 Preenchimento do molde na fundição sob pressão PSS TURBULÊNCIA Semi-sólido fluxo laminar Líquido fluxo turbulento PORE FREE

18 Comportamento térmico de matrizes PSS temperatura de processo contato térmico metal molde T vida útil de moldes t

19 temperatura de processo segurança custos energéticos vida útil de moldes produtividade (< t solidificação) PRODUTOS NEAR NET SHAPE LIVRES DE POROSIDADE turbulência no preenchimento porosidade por retenção gases gradientes no resfriamento ausência de trincas de contração NOVOS MATERIAIS NOVOS PRODUTOS

20 ESTRUTURA TIXOFUNDIDA AA2024 AA2011 estrutura isotrópica grãos equiaxiais finos (40 a 100µm) AA356 fase primária globular redução de micro-vazios de contração ausência de micro e macrosegregações MHRobert

21 ESTRUTURA TIXOFUNDIDA ESTRUTURA FUNDIDA

22 Propriedades mecânicas do tixofundido PSS x fundição PSS - propriedades mecânicas > por não apresentarem porosidade PSS - produtos com paredes mais finas - redução de custos PSS - maior estanqueidade PSS - suscetíveis a tramentos térmicos parâmetros estruturais fundamentais devem ser da mesma ordem de grandeza (espaçamanto interdendrítioc x diâmetro de glóbulos) MHRobert

23 DESVANTAGENS Reo / Tixofundição NÃO aplicável a todas as ligas

24 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

25 TIXOFORMABILIDADE Potencial habilidade para processamento no estado semi-sólidosólido Depende de: intervalo de solidificação (T liq T sol ) fração de líquido na temperatura eutética sensibilidade da fração líquida com a temperatura no intervalo de solidificação

26 TIXOFORMABILIDADE - Critério 1 Amplo intervalo de solidificação T liq T liq Liga A T sol T sol Liga B Menor tixoformabilidade Maior tixoformabilidade

27 TIXOFORMABILIDADE - Critério 2 Teor de eutético (fases secundárias em contornos) Tixofundição é mais controlável se na T eut a fração líquida não exceder ~ 50% f liq na na T e > 50% Incrementos de T podem levar à fusão total Dificuldade de controle do processo

28 TIXOFORMABILIDADE - Critério 3 Baixa sensibilidade da fração líquida com T no intervalo de solidificação (dfl/dt) f l Liga A Liga B se df l /dt elevado f l A l f l B Maior tixoformabilidade Pequenas variações na T promovem elevadas variações de fl T 1 T 2 T Dificuldade de controle do processo

29 EXEMPLO: AA7075 Al / 6,3Zn / 2,4Mg / 2,11Cu / 0,20Cr 1. Diagramasde fases- equilíbrio Projeção solidus Projeção liquidus T solidif.: 40 C ( C)

30 2. Análise térmica(dsc: differential scanning calorimetry) f l x T líquida (%) Fração l Janela de tixoconformação Temperatura ( C) DSC da liga AA7075 aquecimento 5 C/ C/min df l / dt Sensibilidade (%fl/ C) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Janela de tixoconformação Temperatura ( C)

31 3. Simulação termodinâmica Janela de tixoconformação 475 C Formação de ~8% líquido por fusão de AlCuMgZn e MgZn 2

32 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

33 Ligas para tixofundição uso comercial 8% 5% 7% 4% 76% Al alloys Mg alloys Pb-Sn alloys Cu alloys Fe alloys

34 Aplicação comercial da tixofundição Exemplos de produtos: Al/Si, Al/Mg, Al/Cu, Al/Mg/Si,Mg Bandejas da suspensão A357, T5 50% redução em peso (Stampal / FIAT) Carcaça Cilindro Mestre 760g Componentes de caixa de direção A357, T5 (Stampal / Alfa Romeo) Sistema de Injeção 480g

35 Aplicação comercial da tixofundição Componentes do suporte da suspensão 6,5kg. A357, T5. (Alfa Romeo) Suporte da suspensão traseira 19,6kg. A357 soldado com peças 6061, T5 e T6. (Alfa Romeo)

36 Aplicação comercial da tixofundição Cases diversos

37 Aplicação comercial da tixofundição Mg-Al Ventoinha de Computador 200g Carcaça Sistema ABS 150g Carcaça Furadeira Manual 95g Carcaça Diferencial 500g Carcaça Motor Elét. 330g Carcaça Serra Elét. 510g

38 Aplicação comercial da tixofundição Redução de peso em componentes automotivos Redução de peso por redução de espessura de paredes Disco do tambor Junta da direção Braço da direção Suporte do motor Cubo Braço suspensão traseira Braço suspensão dianteira De: Stampal, SpA Reduções de peso obtidas na tixofundição

39 Aplicação de semi-sólidossólidos para fabricação de novos materiais

40 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

41 MATERIAIS CELULARES Metais e ligas com 70% de vazios Densidade relativa ~ 0.3 ESPUMAS:: poros fechados ESPUMAS ESPONJAS: poros abertos interconectados

42 ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS CARACTERÍSTICAS GERAIS Baixa densidade Alta deformação plástica em compressão / alta capacidade de absorção energia na deformação Capacidade de isolamento acústico e térmico Elevada área superficial para trocas químicas Compressão

43 ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS Exemplos Ligas Al

44 ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS Componentes diversos Partes estruturais de equipamentos

45 ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS AFS Al foam sandwich

46 Na indústria automotiva (ligas de Al)

47 Na indústria automotiva (ligas de Al)

48 Na indústria aeronáutica Em desenvolvimento pela Airbus espumas de Al Proteção do cock pit contra impacto de aves, por ex.

49 PSS para a fabricação de esponjas metálicas F metal semi-sólido F SS preforma porosa SS Preforma porosa metal semi-sólido Tixoinfiltração

50 FABRICAÇÃO DE ESPONJA de A356 Exemplo Componente fabricado Preforma porosa NaCl Tomografia ρ rel = 0.25 a 0.35 Francioni Gomes Pinheiro MWM RS

51 PSS para a fabricação de espumas metálicas Exemplo Cavaco AA356 + TiH 2 PRECURSOR ESPUMAGEM NO ESTADO SS PRODUTO: ESPUMA

52 ESPUMAGEM (Al + TiH 2 )

53 Tópicos: Reo e tixofundição: 1. Princípios básicos 2. Vantagens e desvantagens 3. Ligas para a tixofundição: critérios de tixohabilidade 4. Aplicações 5. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de espumas e esponjas metálicas 6. O emprego da tecnologia de semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica

54 PSS para a fabricação de compósitos de matriz metálica (CMM) LIGA METÁLICA + REFORÇO CERÂMICO Propriedades gerais: Propriedades de metais (alta ductilidade, elevada resistência mecânica) e Popriedades de cerâmicos (alta dureza, baixa condutividade térmica, resistência à abrasão)

55 PSS para a fabricação de compósitos de matriz metálica (CMM) Compocasting Reologia do SS melhora retenção e distribuição do reforço Al alloy + C nanotubes A %SiCp Motegi, Mussi (2007)

56 PSS para a fabricação de compósitos de matriz metálica (CMM) Tixoconformação GRADED MATERIALS F A SiCp SS A7075 reforço

57 PSS para a fabricação de compósitos de baixa densidade (CMM-BD) LIGA METÁLICA + REFORÇO CERÂMICO POROSO Propriedades gerais: Propriedades de CMM Propriedades de metais celulares Elevada ductilidade Reduzida densidade Baixa condutividade térmica Resistência à abrasão Isolamento acústico Elevada absorção de energia em impactos

58 PSS para a fabricação de compósitos de baixa densidade (CMM-BD) Tixoconformação molde Reforço poroso, ôco CMM-BD SS SS

59 FABRICAÇÃO DE CMMCMM-BD Exemplo AA Si02/Al2O3/MgO poroso ρrel = 0.3 to 0.5

60 FABRICAÇÃO DE CMM-BD Exemplo AA Si0 2 /Al 2 O 3 /MgO poroso CMM.BD x liga sem reforço Compressão Peso: redução de 50 a 70% Deformação plástica: ~ 60-70% Energia absorvida na deformação: ~ 70% Condutividade térmica: redução de 70-90%

61 PSS processamento no estado semi-sólidosólido Tecnologia já dominada em alguns campos NOVOS CAMPOS E APLICAÇÕES??????

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