LAMINAÇÃO E SIMULAÇÃO DE ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE CHAPAS DE ALUMÍNIO Prof. Dr.-Ing. Jürgen Hirsch Hydro Aluminium Deutschland GmbH - R&D / Bonn - Germany e-mail : Juergen.Hirsch@hydro.com 1 Simpósio International da VDI sobre Technologia do ALUMÍNIO (Da matéria prima à reciclagem) Sao Paolo/Braisil 5/6 mai 2003, p.57-77 Abstrato Os passos de processo da fabricação de semi-acabados laminados de ligas de alumínio convencionais e suas aplicações como semi-acabados de laminação (placas, fitas, chapas, películas) serão demonstrados. A partir da fundição de barras passando pela deformação a quente e a frio até aos processos de recozimento serão descritos quantitativamente, os efeitos e os mecanismos metalográficos dos processos de compactação e de descompactação e do desenvolvimento da estrutura, até aos seus efeitos sobre as propriedades no produto final. Além de efeitos de liga, para tanto temperatura, grau de deformação velocidade de deformação tempos de pausas assim como os procedimentos de aquecimento e de resfriamento, são parâmetros técnicos decisivos da fabricação. Em parte eles são predeterminados através de condições marginais da direção do processo e instalações e freqüentemente acopladas entre si e determinam normativamente o desenvolvimento estrutural e com isto as propriedades (por exemplo, resistência, deformabilidade, anisotropia) até ao produto final. A descrição quantitativa dos procedimentos (processos de compactação, descompactação e recristalização) permite sua integração em modelos de simulação apropriados dos processos de laminação a quente e a frio e de recozimento. Com isto estas interligações e as efetivações dos parâmetros tecnológicos sobre o desenvolvimento da estrutura e das propriedades podem ser analisados e preditos na fabricação. Com isto podem ser desenvolvidas novas estratégias para uma objetivada condução do processo para a otimização das propriedades do produto e um redução das oscilações das propriedades. É a meta da simulação ajustar as estruturas e as propriedades objetivamente, através de uma condução de processo flexível porém controlada, reduzir larguras de oscilações e assegurar a qualidade otimizada.
Introdução As, em parte, altas exigências aos semi-acabados laminados de alumínio com relação a determinadas propriedades e qualidades requerem um saber abrangente sobre as correlações entre estas propriedades, as estruturas de base e seu ajuste, respectivamente, o controle na fabricação. Além disto existe uma enorme pressão com base na crescente concorrência internacional pela constante redução de custos de produção, assim como a diminuição dos tempos de desenvolvimento. Para preencher estes, em parte contraditórios requisitos, necessários se fazem exatos conhecimentos sobre as relações entre os mais diferentes parâmetros de fabricação e das relevantes propriedades do material para o respectivo objetivo de aplicação e a continuidade de processamento. Baseado na complexidade dos processos em questão e nas exigências de descrições de validade geral das correlações, pronunciamentos quantitativos inequívocos não podem ser efetuados apenas com base em algumas poucas pesquisas operacionais e de laboratório. Para reduzir altos custos e de dispêndio de tempo com testes operacionais, torna-se cada vez mais necessário, aplicar procedimentos apropriados de simulação. Com base em modelos empíricos ou físicos são descritos os mecanismos decorrentes nos respectivos processos de fabricação (por exemplo, na compactação e descompactação na laminação) e o desenvolvimento decorrente disto de determinação de propriedade da estrutura baseado em parâmetros de processo medidos ou simulados (por exemplo, velocidade de temperatura e de deformação dentro do espaço de laminação). Tais procedimentos de simulação possibilitam uma previsão das propriedades do material sob os parâmetros preestabelecidos do material e do processo (por exemplo, temperatura de encolhimento, velocidade de laminação, incidência do cilindro, entre outros). Procedimentos de simulação deste tipo permitem também uma averiguação separada de grandezas de influências isoladas e um acompanhamento perpassante dos parâmetros do processo e do desenvolvimento de estrutura e das propriedades, o que no processo em si, em parte, não é possível. Eles levam a um melhor entendimento do comportamento do material sob as condições marginais dos processos e abrem novas possibilidades na fabricação dos semi-acabados laminados e na execução de instalações. As descrições quantitativas dos procedimentos ocorrem primeiramente com base em simulação de processo macroscópico / contínuo-mecânico, nas quais as propriedades do material podem ser integradas em forma de decurso da tensão de escoamento e desenvolvimento estrutural. As últimas em geral são descrições semi-empíricas, as quais, contudo também são descritas de maneira crescente, quantitativamente a nível microscópico / cristalográfico, através do que as qualidades dos modelos de simulação em parte são melhoradas
nitidamente e suficientemente extrapoláveis. Esta é a condição prévia para um prognóstico das propriedades do material e do produto acima dos atuais limites e continuar objetivamente o desenvolvimento. Figura1: Típicos degraus de fabricação (a) desenvolvimento da estrutura dos grãos (b) da estrutura de precipitação (c) e da textura (d) na produção de semiacabados laminados de alumínio (liga Al Mg1 Mn1). O direcionamento da cadeia do processo com base em descrições quantitativas de correlações metalográficas possibilita através disto uma otimização dos processos e propriedades de produção. Grandezas de meta e larguras de oscilações das propriedades dependentes da estrutura, podem dessa maneira, através de medidas técnicas do processo, ser reduzidas objetivamente e adequadas a exigências especiais na continuidade de produção. Este método necessita de programas de simulação bem avançados e em parte de dados de material a serem apurados com muito dispêndio. Ela possibilitará substituir, com a crescente aplicação e ampliação, a fabricação tradicional em forma de "janelas de processo" apuradas experimentalmente e suas demoradas séries de testes para a aplicação de novos ou modificados materiais e processos de fabricação e possibilitará uma maior agilidade, flexibilidade e ao mesmo tempo um desenvolvimento mais rentável de processo e de produto.
Desenvolvimento da estrutura e das propriedades na produção de semiacabados laminados de Al A costumeira cadeia de fabricação na produção de alta técnica de semiacabados laminados de alumínio é demostrada esquematicamente na figura1. As barras fundidas fabricadas por fundição contínua antes da laminação a quente primeiramente serão submetidas a homogeneização ou pré-aquecimento (1). Do calor de homogeneização ou do pré-aquecimento a seguir as barras serão laminadas na grossura da fita quente e sarilhadas. A laminação a quente pode então ocorrer sobre uma única armação de reversão, ou, como é demonstrado na figura 1a, após a laminação de reversão sobre uma via de acabamento tandem de armações múltiplas, o que eleva nitidamente a velocidade de acabamento e que possibilita uma velocidade de laminação e temperatura caracteristicamente elevada até uma espessura de fita quente de poucos milímetros. Após resfriamento da fita quente sarilhada esta será, conforme a aplicação, ainda laminada para a espessura final desejada através de laminação a frio, onde, conforme o caso, ainda será submetida a um recozimento intermediário e / ou a um recozimento final, no qual a resistência do material é levada ao desejado estado mais maleável. Ao laminar a frio e recozer poderão se conectar ainda processos de enobrecimento como por exemplo revestir ou laquear. O desenvolvimento típico para as ligas Al-Mg-Mn da estrutura de precipitação, da estrutura de grãos e da textura cristalográfica estão demostrados na figura 1 b-d para diversos estágios da cadeia de processo. A barra fundida mostra uma estrutura celular típica com uma textura de grãos relativamente grossa, uma textura praticamente desregrada e fases primárias Al-Mn-Fe-Si grosseiras eliminadas de maneira eustática (figura 1c). Durante o pré-aquecimento estas fases grosseiras serão levemente enformadas e formam-se muitas fases secundárias finas (dispersóides), conforme o ciclo de temperatura pretendido. Esta estrutura, com o subseqüente laminar a quente através da recristalização, será transferido em uma estrutura de grãos nitidamente mais finos. (figura 1b), no que é formada a textura de cubos típica para ligas de alumínio (figura 1d). Na laminação a frio surge uma correspondente estrutura alongada de grãos e a partir da textura cúbica surge uma pronunciada textura laminar. A estrutura que surge em casos isolados de processos de fabricação define aquela no estágio final, e influencia portanto algumas propriedades de material que são determinantes para a continuidade operacional, como a deformabilidade. Típicas curvas de tensão-alongamento (de testes de repuxo plano) e perfis de lóbulos (0º - 90º simetrisados de testes de repuxo profundo de godê estão representados na figura 2 para uma fita quente macia, percristalizada e para uma fita compactada de laminação a frio. A textura cúbica da fita quente com isto leva à formação de característicos lóbulos 0º/90º, enquanto que a textura de laminação da laminação a frio produz os típicos lóbulos de laminação de 45º.
Correspondentemente aos diferentes estados de compactação, a fita quente mostra um baixo nível de resistência com alta compactação e alto alongamento, enquanto que a fita fria causa já na presente pré-compactação um nível de resistência mais elevado assim como menor compactação e valores de alongamento mais baixos no teste de tração. Figura 2: Resistência e deformabilidade de ligas Al-Mg-Mn em diferentes estados Típicas a) curvas de tensão-alongamento \ e b) perfis de lóbulos em estado de laminação a quente e a frio. Grandezas de meta da simulação e diversos tipos de modelos As propriedades de material lobulosidade e resistência representadas na figura 2 descrevem típicas grandezas de metas de uma simulação das propriedades do produto. A tabela 1 apresenta mais exemplos de possíveis grandezas de meta de uma destas simulações, que pode por exemplo ser aplicada para a otimização do produto. Observando-se em contrapartida uma mera simulação de processo, então as grandezas de processo representam as grandezas de meta; exemplos típicos de grandezas de processo estão relacionadas na tabela 1. Além do mais também valores característicos de estrutura podem ser grandezas de meta de uma simulação (tabela 1).
Tabela 1: Grandezas de meta de simulações de processo integradas para fabricação de semi-acabados laminados As três diferentes grandezas de meta aí nem sempre podem ser encaradas separadamente uma da outra. Assim, por um lado, as propriedades mecânicas de um material são determinadas pela estrutura, por outro lado na simulação de processo, as grandezas a serem simuladas dependem das propriedades do material (por exemplo, as forças de laminação que dependem da compactação e da descompactação do material). Disto já pode ser concluído, que apenas uma única simulação (simulação de processo, de produto ou de estrutura) em muitos casos sozinha não pode conduzir à meta. Toda simulação tem um modelo como base, que descreve as dependências das grandezas de meta a serem simuladas de determinados parâmetros (2). Podese diferenciar entre modelos (i) físicos, (ii) fenomenológicos e (iii) matemáticosempiricos (2). Os últimos baseiam-se em apurações puramente empíricas correlações matemáticas entre grandezas de meta e parâmetros de variações, onde não há nenhuma relação física como base. Isto no entanto limita em muito a validade geral e com isto e extrapolabilidade destes modelos em comparação aos modelos físicos; também estes modelos tem porém o seu direito de existência, pois em especial no uso industrial, de orientação de aplicação de simulações, a seleção do tipo do modelo representa sempre um compromisso entre exatidão a necessária da previsão e o necessário dispêndio para isto (tempo de cálculos, determinação dos parâmetros de modelo).
Aplicações de procedimentos de simulação na fabricação de semiacabados laminados de Al A seguir deve ser representada exemplarmente a utilização de diversos procedimentos de simulação com diferentes grandezas de meta, com base em alguns processos industriais clássicos da fabricação de semi-acabados laminados de alumínio. Da totalidade da corrente de processo (veja a figura1) para tanto foram selecionados os processos laminação quente, laminação a frio e recozimento. Nas ligas trata-se de típicas ligas Al-Mg-Mn de dureza natural do setor de aplicação embalagem e automóvel. Comportamento de recristalização na laminação a quente Para a simulação de uma fita quente ensarilhada durante o resfriamento no decorrer da recristalização, são necessários um modelo plasto-mecânico e um modelo de recristalização. No presente exemplo foi calculado o desenvolvimento da distribuição da temperatura, do grau de deformação e da velocidade de deformação na laminação a quente com o programa PC para a simulação de processo de laminação ELTHE (3), no qual foi implementado um modelo de compactação matemático-empírico (4). O modelo de compactação que serve de base, foi apurado baseado em dados de testes de recalque a quente axialsimétrico (5), que são realizados sob variação de temperatura, velocidade de deformação, e tempo de parada após o recalque. A partir daí também foi possível apurar os decursos de recristalização (de acordo com diversos tempos de parada e os parâmetros do modelo de recristalização (equações Avrami). Com base nestes modelos foram simulados para duas fitas de laminação quente da liga AlMn1Mg1Cu o desenvolvimento temporal dos parâmetros de deformação (temperatura, velocidade etc.) em uma linha de acabamento de 4 suportes, assim como o decurso da recristalização no resfriamento dos coils ensarilhados. As fitas operacionais laminadas com diferentes velocidades tiveram temperaturas finais de TWB =291ºC na laminação lenta (slow) e TWB =315ºC na laminação rápida (fast) (figura 3a). A comparação entre temperaturas finais simuladas e temperaturas finais medidas (figura 3a) assim como as parcelas recristalizadas calculadas no centro da fita (figura 3b) e dos formadores de estrutura das fitas operacionais quentes (figura 3 em baixo), mostra nos dois casos uma boa concordância entre simulação e medição. Simulações deste tipo são usadas para, através de cálculos de variações, apurar janelas de produção estáveis. Assim podem por exemplo ser feitas declarações referentes ao ajuste de temperatura necessária para uma estrutura de fita quente recristalizada e a velocidade de laminação, o que é de decisivo significado para a resistência e a lobulosidade (6).
Figura 3 Simulação de estruturas de fita quente da liga AlMn1Mg1: a) decurso de temperatura b) desenvolvimento da parcela recristalizada durante o resfriamento do coil e textura granular exp. (em baixo)
Figura 4: Dependência da intensidade da posição dos cubos e da lobulosidade 0/90o da parcela recristalizada após o primeiro passo (recristalização de suporte intermediário) na liga AlMg4.5Mn0.4 (2)
Um outro exemplo para a aplicação da simulação combinada de processo e de estrutura está representado na figura 4. Em testes operacionais foram laminadas a quente sob variação dos parâmetros de processo temperatura de encolhimento e velocidade uma série de fitas de laminação a quente na liga AlMg4.5Mn0.4, aplicada no setor de embalagem e no setor automobilístico. Estas fita eram todas recristalizadas por inteiro com tamanho de grãos muito semelhantes, contudo em parte apresentavam texturas cubicas de características nitidamente diferentes, e com isto diferentes lobulosidades 0/90o. Como causa presumiu-se uma recristalização de suporte intermediário diferente de forte cunho. Como não foi possível a necessária tomada de prova entre os pontos, com o auxilio da simulação foi calculada a parcela de recristalização de suportes intermediários (5). A inequívoca correlação entre a parcela calculada de recristalização de suporte intermediário e da intensidade da textura de cubo respectivamente, da lobulosidade é nitidamente visível na figura 4. Esta compreensão do comportamento do material conquistada com o auxilio da simulação pode agora ser aplicada para, através de um objetivo ajuste dos parâmetros de processo, gerar uma fita quente recristalizada por inteiro com a desejada intensidade em textura cúbica. Compactação e descompactação na laminação a frio e no pós-recozimento Para a simulação da compactação na laminação a frio é aplicado um modelo de compactação que descreve a dependência direta das grandezas Rp02 e Rm do grau de laminação. Para a liga Al-Mg-Mn aqui tratada comprova-se a generalizada equação-voce (7): σ = σ o + ε ( ) 0 σ 1 + Φ 1 ε 1 exp σ 1 Como especialmente apropriada, pois ela considera a típica compactação constante em graus de deformação mais elevados (figura 5). Destas equações podem ser lidas as estabilidades atingíveis para produtos de dureza de laminação e ligadas por exemplo, com estados de saída (grau de recristalização, estabilidade inicial, grossuras de fitas quentes). Após solicitações de carga de temperatura em fita compactadas por deformação surge uma visível descompactação através de recuperação - em elevadas temperaturas e tempos, também através de recristalização. Com um modelo de recuperação apropriado (figura 5b) as grandezas de meta Rp02 e Rm podem, com base nos parâmetros de pós-recozimento, temperatura e tempo, com o auxilio de grandezas dependentes do material a, b e Q, ser apuradas e descritas quantitativamente. σ ( t, ϑ) Q R = = 1- a ln( 1+ b τ ) τ = dt exp σ 0 R ϑ(t) t Φ
Figura 5: Descrição quantitativa da compactação e descompactação de ligas laminadas Al-Mg-Mn a) limite de alongamento vs. grau de laminação a frio, b) compactação (normatizada) vs. tempo de recozimento (diversas temperaturas)
A combinação de ambos os modelos permite determinar para o ajuste de uma compactação desejada o necessário grau de delaminação e eventualmente as correspondentes condições de pós-recozimento. Um exemplo de uma destas simulações está representado na figura 6. Aqui foram simulados para uma liga AlMn1Mg1Cu o limite de alongamento e a resistência à tração de uma fita de 87% de laminação fria para dois diferentes pós-recozimentos de coil e comparados com valores determinados experimentalmente. A concordância pode, em nome da precisão de medição, ser denominada de excelente. Formação de lóbulos na laminação a frio As propriedades de deformação da liga de fita de lata AlMn1Mg1Cu são determinadas além da compactação em especial pela lobulosidade (6). Como uma exata previsão quantitativa da lobulosidade com base nos modelos físicos é extremamente dispendiosa e complexa, para a simulação do desenvolvimento da lobulosidade na laminação a frio, foi escolhida uma nova indicação matemática-empirica: Partindo das fitas quentes com diferentes lobulosidades foram laminados a frio um sem-número de corpos de prova para diversos graus de laminação. Estes perfis de lóbulos medidos nestas provas, foram desenvolvidos em uma série Fourier. Na base em um princípio de polinômio, que descreve os coeficientes Fourier das provas laminadas como função do grau de laminação e do perfil de lóbulo de saída, foram efetuadas regressões e determinados os coeficientes do princípio polinômio, com o auxilio do qual tornase possível uma previsão muito exata do desenvolvimento do perfil de lóbulos na laminação a frio (9). A figura 7 mostra a comparação entre um desenvolvimento de lóbulos medido na laminação a frio, e um desenvolvimento de lóbulos simulado com este modelo. O modelo permite afirmações sobre os necessário grau de laminação a frio em grossura final para a obtenção de um perfil de lóbulo desejado e lobulosidades de fita quente. No entanto o modelo se restringe à área de valor contida na regressão. Previsão da anisotropia de dados de testes de tração com o auxílio da simulação de textura As simulações mostradas na figura 6 da compactação e da descompactação são válidas para dados, que foram medidos em paralelo à direção de laminação (WR = DL). Freqüentemente contudo são de interesse também valores característicos de testes de tração sob diversos ângulos à DL, ou outros importantes valores característicos para as propriedade de deformação como por exemplo, a anisotropia vertical (valor-r), são necessários. Em textura conhecida tais efeitos podem ser simulados (9, 10), quando são associados modelos de compactação apropriados com correspondentes simulações de textura. Uma previsão de curvas de tensão e de alongamento (inclusive cálculo do valor-r) como função do ângulo para a DL mostra a figura 8 para fita quente AlMg4,5Mn.
Figura 6: Limite de alongamento e resistência à tração de uma fita laminada a frio (AlMn1Mg1) para dois diferentes recozimentos de coil (Experiência (colunas esquerdas) e simulação, à direita decurso de temperatura)
Figura7: desenvolvimento de lóbulos a) medido e b) simulado semiempiricamente, na laminação a frio de um fita quente AlMn1Mg1 com característica textura cúbica por diferentes graus de laminação 85%-92%.
Figura 8a) : Curva real de tensão e de alongamento medida e simulada sob 0 (RD) Figura 8 b) 90º para DL, assim como a anisotropia de valor-r de uma fita quente (AlMg4.5Mn0.4), disto apurada.
Com exceção da sobreelevação não prevista, a simulação mostra uma boa concordância com os resultados de medição. Tais modelos físicos já tem alcançado uma qualidade, que possibilita uma utilização para a previsão de grandezas de grãos anisotrópicos. Isto depois se torna utilizável em pleno volume, quando também o estado de saída inserido na simulação, isto é, quando no exemplo aqui apresentado a textura de fita quente, com ajuda de simulações de laminação e de textura de recristalização pode ser previsto quantitativamente. Desenvolvimentos atuais nesta área parecem muito promissores, também com referência à aplicabilidade industrial (7, 11). Perspectiva As aplicações mostradas demonstram, o acoplamento de simulação de processo e simulação de grandezas características de estrutura e as propriedades do produto neste ínterim permitem uma utilização objetiva da técnica de simulação na otimização de fabricação, do ajuste de propriedades do produto, assim como a elucidação dos procedimentos relevantes à propriedade, que se esquivam de uma observação experimental. Estes procedimentos podem fornecer uma importante contribuição para a economia de testes operacionais de custos e tempo intensivos.
Uma meta importante de futuros desenvolvimentos é uma execução física mais rígida dos modelos em parte ainda empíricos, que possibilite a necessária extrapolabilidade assim como a aplicação para a previsão de complexas grandezas de grãos. As grandezas de grãos simuladas da fabricação de semiacabados aí também podem ser utilizadas como grandezas de introdução para a continuidade do processamento dos produtos, procedimentos de simulação aplicados (por exemplo, simulação de deformação de processos de repuxo profundo por meio da FEM). Além disto, necessita-se da definição dos interfaces para os processos não tratados aqui fundir e pré-aquecer, assim como, do acoplamento com os procedimentos de simulação também aplicados de forma crescente nestes processos. BIBLIOGRAFIA [1] J.Hirsch, K. Karhausen, P.Wagner, DGM Simpósio Laminação, Wiley- VCH, Weinheim (2001) página 203 [2] J.Hirsch, K..Karhausen, L.Löchte, proc.icaa-8; Mat. Science Forum volume 396-402 (2002) página1721 [3] Karhausen, K., Kopp, R.: Proc. 1st Int. Conf. of Metal Rolling Processes, London (1993) página 66 [4] Sellars, C.M., Tegart, W.J. McG.: Int. Met. Rev. volume 17, 1972, páginas 1-24 [5] K.Karhausen, J.Hirsch, P.Wagner, Int. Sheet Conference, Porto Alegre, Brasil, Novembro 3-5 1999 [6] J.Hirsch, P.Wagner, H.Schmiedel, Materials Science Forum Volumes 217-222, 1996, páginas 641-646 [7] Laminação de produtos planos" DGM Symposium 2001, ed. By J.Hirsch Wiley-VCH, Weinheim [8] Sigli, C., Vichery, H., Grange, B.: Materials Science Forum Volumes 217-222, 1996, páginas 391-396 [9] L.S.Toth, J.Hirsch, P.vanHoutte, Int.Jounal Mech. Science Volume 38, No 10 (1996) páginas 1117-1126 [10] Van Houtte, P.: Proc.11th Int.Conf. On Textures of Materials Volume 1,Xi an, China, 1996, página 236-247 [11] Revista Aluminium 78/10, caderno especial para a 6thFWP VIR* Projetos Outubro 2002