- Desgaseificação por ultrassons de metais fundidos até 2 300 °C e de vidro fundido
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Fundição de alumínio: a tecnologia ultrassónica reduz a utilização do refinador de grão TiB
O que é o refinamento do grão?
A estrutura granular do alumínio é refinada durante a solidificação, resultando em grãos mais pequenos e uniformes. A estrutura granular inicial do alumínio fundido é grossa, com grãos grandes e dendríticos. Isto deve-se à nucleação lenta e ao crescimento rápido durante o arrefecimento do alumínio fundido. Essa estrutura granular resulta numa diminuição da resistência, da ductilidade e no aparecimento de fissuras. Os grãos de grande dimensão, na presença de microsegregação, provocam anisotropia mecânica e concentração de tensões. Isto torna o material propenso à falha sob carga.
As estruturas de grão fino aumentam as propriedades mecânicas das ligas de alumínio. Através da relação de Hall-Petch, os grãos finos (de alguns micrómetros) aumentam a resistência ao escoamento e à tração, ao mesmo tempo que impedem o movimento das deslocações. Os grãos finos melhoram a ductilidade ao aumentar a área dos limites de grão, o que absorve e redistribui a tensão e reduz o início e a propagação de fissuras. Também tornam as propriedades mais isotrópicas, garantindo a consistência do desempenho. As microestruturas de grão fino são necessárias para componentes aeronáuticos e automóveis. É aí que o peso e a resistência são fundamentais. Os grãos finos tornam o material mais uniforme e previsível, proporcionando maior maquinabilidade e melhor acabamento superficial.
Papel do boro de titânio (TiB) como refinador de grãos no alumínio fundido
O boro de titânio (TiB) influencia a nucleação da solidificação, refinando os grãos do alumínio fundido. Proporciona sítios de nucleação para uma estrutura de grãos fina e equiaxial. As partículas de TiAl₃ e os compostos de boreto, como o TiB₂, que se assemelham ao alumínio em termos de cristalografia, atuam como potentes agentes de nucleação. Reduzem a barreira de energia de nucleação, facilitam a formação dos grãos e impedem o crescimento de estruturas dendríticas. Assim, a solidificação é dominada por muitos grãos pequenos e uniformemente dispersos, em vez de alguns grãos grandes.
O TiB reage quimicamente com o alumínio fundido durante a solidificação. As partículas de TiAl₃ resultam da reação entre o titânio e o alumínio fundidos. Embora instáveis a altas temperaturas, estas partículas combinam-se com o boro para formar TiB₂, tornando-se nucleantes. O TiB₂, com a sua estrutura hexagonal estável e compatibilidade de rede cristalina próxima da do alumínio, promove a nucleação heterogénea. A formação de partículas de boreto na frente de solidificação permite obter grãos pequenos e numerosos. Rapidamente, as partículas de TiB₂ atuam como núcleos em torno dos quais os átomos de alumínio se solidificam. Isto proporciona uma microestrutura refinada.
Os desafios associados à utilização do TiB
Preocupações económicas e ambientais
O elevado custo do TiB, incluindo o TiB₂, afeta os custos de produção da refinação do alumínio. O titânio, um metal dispendioso, torna as ligas de TiB caras. O elevado custo das matérias-primas e os métodos energeticamente intensivos tornam a produção de TiB₂ para a refinação de alumínio um negócio dispendioso. Isto representa um desafio para setores com margens reduzidas ou para locais com disponibilidade limitada de matérias-primas. Por exemplo, as condições do mercado do titânio podem afetar os preços do TiB, o que torna os custos de fabrico instáveis. Essa volatilidade pode dificultar a fixação de preços consistentes para os produtos de alumínio, em comparação com as ligas-mãe AlTiB mais baratas.
As considerações ambientais são igualmente importantes na utilização do TiB para refinar o grão. Os produtos à base de TiB podem emitir substâncias químicas de titânio e boro para o ambiente, dificultando simultaneamente o seu fabrico e eliminação. A gestão de substâncias químicas perigosas e de resíduos durante o fabrico do TiB₂ deve evitar a poluição ambiental. Os produtos de TiB usados podem libertar componentes nocivos para o solo e a água, o que torna a sua eliminação problemática. Métodos especiais de eliminação, incluindo aterros controlados ou reciclagem, aumentam o impacto ambiental e as despesas operacionais. As exigências regulamentares por parte dos governos e das organizações ambientais também estão a aumentar no sentido de uma metalurgia mais sustentável. Por conseguinte, o titânio-boro (TiB) poderá ser menos apelativo do que um refinador de grãos com menores riscos ecológicos.
Limitações técnicas do refinador de grão TiB no alumínio fundido
A possibilidade de refinamento excessivo oude granulometriairregular pode, do ponto de vista técnico, limitar o refinamento de grãos do alumínio com TiB. A eficiência do refinamento de grãos com TiB depende da concentração e distribuição precisas na massa fundida de alumínio. Concentrações elevadas de TiB podem refinar excessivamente os grãos, tornando-os demasiado finos. Isso pode tornar o alumínio demasiado frágil para diversas aplicações. Por outro lado, uma distribuição irregular do TiB pode causar variações no tamanho dos grãos do alumínio. A variabilidade na resistência e na ductilidade do material pode provocar falhas em aplicações-chave, como componentes aeroespaciais e automóveis. Monitorizar e ajustar o processo de refinamento de grãos para se alcançar o equilíbrio ideal é complicado e requer operadores competentes.
Um tratamento incorreto com TiB também pode causar inclusões ou defeitos no produto final de alumínio. As partículas de TiB não dissolvidas na massa fundida podem comportar-se como concentradores de tensão e provocar falhas prematuras sob carga. Isto constitui um problema em aplicações de alto desempenho que exigem integridade do material. Por exemplo, as peças aeroespaciais podem perder a resistência à fadiga devido mesmo a pequenas inclusões. As inclusões de TiB podem dificultar a laminação ou a extrusão, ao mesmo tempo que provocam fissuras ou imperfeições superficiais. A massa fundida deve ser bem misturada e a temperatura controlada para diminuir esses riscos. No entanto, o TiB é uma faca de dois gumes no refinamento do grão do alumínio, uma vez que tais restrições aumentam a complexidade e o custo do processo.
Com o tempo, as partículas de TiB₂ podem depositar-se no fundo do forno de manutenção. Isso diminui a sua eficácia no refinamento do grão, o que se designa por «efeito de desvanecimento». Os longos períodos de manutenção nas operações industriais agravam este problema. Outros elementos de liga também podem afetar a eficácia do refinador de grão TiB. Por exemplo, o crómio, o zircónio e o lítio podem causar o «efeito de envenenamento». O TiB₂ pode reagir com outros elementos na massa fundida de alumínio. Tal pode introduzir fases ou compostos indesejáveis na liga final. Além disso, estudos sugerem que a adição de elementos de terras raras, como o Ce e o La, aos refinadores de grão de TiB pode melhorar a nucleação e resultar em estruturas de grão mais finas do que os refinadores padrão utilizados isoladamente. Mas, mais uma vez, estas modificações causam complicações e despesas adicionais.