Grupo de Tixoconformação Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas

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

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

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

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

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)

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

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%)?

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

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

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

Video por P.Kapranos, UK. MHRobert

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

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

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

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

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

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

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

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

ESTRUTURA TIXOFUNDIDA ESTRUTURA FUNDIDA

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

DESVANTAGENS Reo / Tixofundição NÃO aplicável a todas as ligas

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

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

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

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

EXEMPLO: AA7075 Al / 6,3Zn / 2,4Mg / 2,11Cu / 0,20Cr 1. Diagramasde fases- equilíbrio Projeção solidus Projeção liquidus T solidif.: 40 C (600-640 C)

2. Análise térmica(dsc: differential scanning calorimetry) f l x T líquida (%) Fração l 100 80 60 40 20 Janela de tixoconformação 0 540 560 580 600 620 640 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 0 540 560 580 600 620 640 Temperatura ( C)

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

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

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

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)

Aplicação comercial da tixofundição Cases diversos

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

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

Aplicação de semi-sólidossólidos para fabricação de novos materiais

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

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

ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS Exemplos Ligas Al

ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS Componentes diversos Partes estruturais de equipamentos

ESPUMAS E ESPONJAS METÁLICAS AFS Al foam sandwich

Na indústria automotiva (ligas de Al)

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

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

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

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

ESPUMAGEM (Al + TiH 2 )

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)

PSS para a fabricação de compósitos de matriz metálica (CMM) Compocasting Reologia do SS melhora retenção e distribuição do reforço Al alloy + C nanotubes A356 + 5%SiCp Motegi, Mussi (2007)

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

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

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

FABRICAÇÃO DE CMMCMM-BD Exemplo AA7075 + Si02/Al2O3/MgO poroso ρrel = 0.3 to 0.5

FABRICAÇÃO DE CMM-BD Exemplo AA7075 + 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%

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