BRPI0611437A2 - processo para preparação de lingotes e lingotes - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA PREPARAçãO DE LINGOTESE LINGOTES.A presente invenção refere-se a um processo para preparação de lingotes que consistem em uma liga metálica, que é formada a partir de um fundido, no qual durante o resfriamento por meio de um campo fisicamente variável é introduzida, por um curto espaço de tempo, energia para aumentar a formação de cristais mistos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA PREPARAÇÃO DE LINGOTES E LINGOTES".

A presente invenção refere-se a um processo para preparaçãode lingotes de uma liga metálica, com a qual é formado um fundido no qualum material básico e um ou mais constituintes da liga encontram-se em umestado líquido, a partir dos quais são formados os lingotes.

Alumínio ou ligas de alumínio são colocados à disposiçãocomumente como produtos semi-acabados na forma de lingotes de duas outrês partes para a elaboração posterior por fundição. Para preparar os Iingo-tes, é formado um fundido a partir da liga metálica correspondente, o qual éentão vertido em lingotes.

Para aperfeiçoar a qualidade das peças fundidas que são prepa-radas a partir desses tipos de lingotes, sabe-se também (DE 10002670 A1)fundir os lingotes em um forno e depois submeter os fundidos em uma câ-mara de tratamento a um campo eletromagnético rotativo e desta forma ver-ter os fundidos tratados. Esse processo leva a um enorme aperfeiçoamentoda peça fundida.

A invenção tem como tarefa obter um processo para preparaçãode lingotes, que após processamento posterior conduzem a pedaços de pe-ças de fundição com propriedades aperfeiçoadas, sem que tenham que serfeitas modificações nas máquinas de fundição atuais.

Essa tarefa é solucionada pelo fato de que no fundido, antes dasmoldagens dos lingotes, durante o resfriamento aplica-se energia por umbreve espaço de tempo por meio de um campo fisicamente variável, queaumenta a formação de cristais mistos.

Por meio da invenção obtém-se primeiramente o surgimento decélulas elementares de cristais mistos, com as quais os átomos do materialbásico são substituídos por átomos do constituinte ou dos constituintes deadição. A formação de cristais mistos enriquecidos é objetivamente alcança-da, controlando-se o limite de saturação e a largura do intervalo de concen-tração-temperatura por meio de campos físicos externamente variáveis, demodo que cristais mistos supersaturados se originem com os átomosestranhos. O limite de saturação e a difusão intensificada de átomos estra-nhos na grade espacial do material de base não depende da temperatura.No resfriamento posterior origina-se uma estrutura de grãos bem finos des-ses cristais mistos.

No aperfeiçoamento da invenção é previsto que a adição deenergia a uma temperatura ocorre na linha do líquido dessa liga metálica.

O tempo no qual a alimentação de energia deve ser realizado édeterminado experimentalmente. Ele depende da liga metal especial e tam-bém de agentes com os quais a alimentação de energia é realizada. Paradeterminar o espaço de tempo para o fornecimento de energia prevê-se, deacordo com uma primeira forma de execução, que a formação de cristaismistos é determinada por medição da viscosidade dinâmica do fundidoencontrado na câmara de tratamento. A invenção parte de que, um ótimo daformação de cristais mistos é mostrado então quando o fundido tratado ape-sar do resfriamento, alcançou um estaido particularmente líquido e fino, quepermanece aproximadamente constante e essencialmente não se modificamais. Em uma outra forma de execução da invenção, é previsto que a for-mação de cristais mistos é determinada por meio de medições da temperatu-ra do líquido das amostras que são retiradas da câmara de tratamento.Assim, a invenção se baseia no fato de que a verdadeira temperatura dolíquido se apresenta no local da inflexão na curva de resfriamento, que seorigina com o calor da cristalização. Essa verdadeira temperatura do líquido,em um tratamento bem sucedido, encontra-se abaixo da linha do líquido in-dicada para essa liga metálica por um diagrama de fase.

Em uma outra forma da invenção é previsto que o pequenoacréscimo de energia ocorre por meio de um campo eletro magnético variá-vel, de preferência pulsante.

Verificou-se assim, surpreendentemente, que os lingotes prepa-rados desta forma, ao modo de um efeito de memória, com o auxílio do tra-tamento com campo eletromagnético preparado, então também possuemuma elevada capacidade de escoamento, quando eles são novamente der-retidos e processados em uma máquina de fundição. Os lingotes preparadosdesta forma têm, perante os lingotes preparados pelo processo convencio-nal, uma elevada escoabilidade, de modo que as peças fundidas podem serpreparadas com formas complicadas e elevada densidade. As peças de fun-dição preparadas deste modo possuem uma elevada resistência, um com-portamento de estiramento aperfeiçoado, e um comportamento de desgasteaperfeiçoado. Elas podem, assim, substituir parcialmente elementos consti-tuintes que até agora precisavam ser forjadas.

Uma vantagem substancial perante o processo conhecido a par-tir da DE 10002670 A1 é obtida pelo fato de que nem toda máquina de fun-dição precisa ser previamente precedida de uma respectiva câmara de tra-tamento. Podem ser empregadas as mesmas máquinas de fundição, semque devam ser efetuadas modificações nas máquinas. A temperatura defundição pode ser reduzida, mesmo abaixo da temperatura do líquido da ligaem questão. A faixa de temperatura na qual uma fundição é possível é am-pliada, de modo que o perigo do surgimento de refugo, devido a temperatu-ras de fundição desfavoráveis, é essencialmente reduzido.

Outras características e vantagens da invenção são deduzidas apartir da seguinte descrição de um dispositivo, que é apropriado para a pre-paração, de acordo com a invenção, de lingotes de acordo com a invenção.

Em um forno de fundição, que apresenta uma abertura de fundi-ção 1, uma ranhura de fundição 2, e um aquecimento elétrico 3, os constitu-intes de um metal ou de uma liga metálica são aquecidos por tanto tempoaté que todos os constituintes estejam derretidos e se forme um fundido 4.

Esse fundido 4 é colocado, através de uma abertura de preen-chimento 19, em uma câmara de tratamento. Essa câmara de tratamentoconsiste em uma parte de revestimento 18 essencialmente cilíndrica, umaparte inferior 10 em forma de semi-esfera, e uma parte superior 7 em formade uma semi-esfera. Na câmara de tratamento é disposto de preferência umaquecedor elétrico 6 na forma de espiral de aquecimento, com a qual acâmara de tratamento é aquecida a uma temperatura na faixa de, e por e-xemplo um pouco abaixo da linha do líquido da liga metálica especial, porexemplo em torno da temperatura eutética da liga metálica. Adicionalmentea câmara de tratamento é um dispositivo 5 para introdução de energia, porexemplo, através da preparação de um campo eletromagnético, rotativo. Es-se campo eletromagnético possui, por exemplo, uma força de campo de 6até 20 mT, e gira com uma freqüência de cerca de 60 Hz até 500 Hz. Assim,origina-se uma pressão hidrodinâmica na ordem de grandeza de 150 χ 10"4N/m2. Durante a atuação conjunta da pressão magnética isotrópica e da ten-são magnética, cuja faixa ótima situa-se entre 15 e 80 mT, desenvolve-se nofundido um efeito de uma anomalia fluidoelástica que é cunhada pela eleva-da escoabilidade do fundido metálico. Ela tem então a menor viscosidadedinâmica. Foi medida uma viscosidade dinâmica de 0,74 mPa/s em umatemperatura de fusão de 580°C. Também é observável uma anomalia ter-mocinética do fundido tratado, que é determinada por meio de uma contra-ção da área entre a temperatura do líquido e a temperatura do sólido em umvalor mínimo. A solubilidade perfeita dos diversos constituintes ligados tam-bém se apresenta ainda na temperatura sólida. A fase dupla, devido à tem-peratura decrescente do líquido e concomitante temperatura crescente dosólido, é continuamente encolhida, de modo que o conodo fica menor.Quando o estado objetivado é atingido, o fundido 11 é extraído por meio deum robô extrator 12 da câmara de tratamento e preenchido nas formas delingote 14, que são transportadas em uma correia transportadora de lingotes13. As formas de lingotes 14 são esvaziadas em um dispositivo de esvazia-mento 15, de modo que então formas de lingote 17 vazias podem ser nova-mente conduzidas para o robô extrator.

O fornecimento de energia, em um curto espaço de tempo, aofundido que se encontra na fase de resfriamento leva ao aumento da forma-ção de cristais mistos, com o que os cristais elementares dos átomos do ma-terial de base são substituídos por átomos do constituinte ou dos constituin-tes de adição. A alimentação de energia pode então ser terminada quando oprocesso da formação de cristais mistos tenha atingido um ótimo e uma ou-tra alimentação de energia não aumenta mais decisivamente a formação decristais mistos. Este ótimo, que caracteriza o novo estado energético do fun-dido, é abrangido por uma forma de execução da invenção.A maior escoabilidade ou menor viscosidade, que é um indíciopara a formação aumentada de cristais mistos, é medida por meio de umviscosímetro 8 online na câmara de tratamento, de modo que pode ser veri-ficado a qualquer tempo se o estado desejado para o fundido 11 foi atingido.

Através da atuação energética externa, o estado energético do cristal básicocristalino líquido é modificado. Sua grade espacial é afrouxada, de modo quefacilita a etapa na qual são construídos novos grupamentos atômicos. A e-nergia e força de ligação que emergem entre os átomos de componentesindividuais e unidades estruturais das ligas metálicas, pertencem aos fatoresdecisivos. A viscosidade é uma dessas propriedades. A construção e re-construção de complexos atômicos leva a uma liberação de compostos for-tes que foram fechados antes no interior dos complexos. Esses compostosparticipam do escoamento viscoso e também do deslocamento de unidadesestruturais. Uma viscosidade decrescente remete por isso a um complexoatômico, que apresenta os compostos interiormente enfraquecidos e exter-namente fortalecidos. Assim, são obtidas as condições físico-tecnológicas,com as quais âmbitos coletivos do sistema líquido-cristalino são formadoscom uma orientação uniforme. A nova estruturação e sua estabilidade ener-gética são reforçadas pelo campo eletromagnético variável. O resultado é aviscosidade reduzida, que reespelha o estado energético da grade espacialou das unidades microestruturais do fundido. A escoabilidade pode ser indi-cada, por exemplo, em um monitor 16. A escoabilidade máxima é então a-tingida, quando a capacidade de escoamento não aumenta mais essencial-mente, isto é, o segmento da curva apresentada no monitor 16 da escoabili-dade φ com o tempo t é aproximadamente horizontal.

Alternativamente ou eventualmente também é previsto adicio-nalmente que sejam retiradas e analisadas amostras da câmara de trata-mento do fundido 11. Por meio dessa análise mostrou-se, por exemplo, emum outro monitor 9, como a temperatura do líquido Tl se modificou e se a-proximou da linha Ts da temperatura sólida perante a linha de líquido da ligametálica especial. Aqui pode ser mostrado em um monitor 9 um quadro datemperatura T com o tempo t. O processo de construção do cristal misto su-persaturado, que se iniciou no sistema líquido cristalino, terminou durante oresfriamento da liga, de modo que é possível a colocação de um quadro deverificação realista do estado. Através dessa apresentação de um diagramade estado termodinâmico realístico, através dessa representação realística,termodinâmica, é coberto um grande espectro de propriedades de ligas, porexemplo dados de concentração, disposição das linhas líquido-sólido, limitesde saturação (solubilidade) etc., que possibilita determinar o parâmetro tec-nológico de fundição apropriado para a liga preparada segundo o processode acordo com a invenção.

Mostrou-se surpreendentemente que quando lingotes que forampreparados pelos processos anteriores são posteriormente elaborados, ocor-rem condições vantajosas. O aumento obtido devido ao tratamento da ésco-abilidade não é reversível, porque os cristais mistos são estáveis. Os fundi-dos preparados de lingotes fundidos têm uma escoabilidade aperfeiçoada euma pequena tendência à oxidação. Na fusão dos lingotes surgem poucosarranhões na superfície do banho.

Em uma liga metálica com alumínio como material básico e silí-cio como constituinte de liga principal, foi possível fundir com sucesso cabe-ças de cilindro ainda com uma temperatura de fusão de 637°C que, assim,ficaram a uma temperatura cerca de IOO0C mais baixa do que a temperaturade fusão prescrita para essas máquinas e essa liga. Apesar da temperaturade fusão mais baixa não houve uma redução na qualidade por porosidadede gás ou operação à temperatura baixa e nenhuma formação rudimentar deresíduos.

A invenção parte do princípio de que, através da influência ener-gética externa, isto é, através da interação entre um campo eletromagnéticoexterno e um campo eletromagnético interno do cristal, influencia-se um re-forço do processo de difusão e ligações interatômicas. O resultado dessainteração é a construção de uma liga cujos cristais possuem, no estado fun-dido, uma disposição de longo alcance ou uma disposição distante. Essainteração também pode ser conduzida para que um constituinte de liga adi-cionado se diferencie do material básico pela susceptibilidade magnética.A invenção é apropriada particularmente para ligas metálicasnas quais o material básico é alumínio e o constituinte de adição principal ésilício. Basicamente a invenção, entretanto, é empregável para todas as li-gas metálicas, independentemente da susceptibilidade magnética dos cons-tituintes. A atuação externa energética ocorre, no exemplo de execução, a -través de um campo eletromagnético variável, pulsante. Existem tambémoutras possibilidades para a atuação energética externa através de um novocampo fisicamente variável, por exemplo uma atuação por meio de ultras-som. Assim, o campo é colocado de tal forma que as condições produzidaspelo campo eletromagnético anteriormente esclarecido são igualmente obtidas.

Os lingotes de acordo com a invenção são apropriados para to-dos os processos de fundição. Assim em uma fundição em coquilhas a ele-vada escoabilidade é de particular vantagem, enquanto na fundição porpressão a excelente moldabilidade é de particular vantagem. Supõe-se queem uma fusão dos lingotes manteve-se a nova disposição atômica na gradeespacial, que foi obtida através do pré-tratamento por difusão, também nafusão dos lingotes, sem que os átomos dos constituintes da liga abandonemo seu lugar na grade espacial de alumínio.

Sob a expressão lingotes de acordo com a invenção são com-preendidas não apenas as formas comercialmente usuais dos lingotes. Maisainda devem ser compreendidas, todas as formas nas quais um fundido,preparado antes de uma nova fusão, é vertido para uma etapa de fundição.

Claims (6)

1. Processo para preparação de lingotes a partir de uma ligametálica, sendo que primeiramente é formado um fundido, no qual se encon-tra um material básico e um ou mais constituintes da liga se encontram emum estado líquido, a partir dos quais são moldados lingotes, caracterizadopelo fato de que no fundido, antes da moldagem dos lingotes durante o res-friamento por meio de um campo físico variável é aplicada, em um curtoespaço de tempo, energia, o que aumenta a formação de cristais mistos.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a adição de energia a uma temperatura ocorre na linha do líqui-do dessa liga metálica.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a formação de cristal misto é verificada por medição da vis-cosidade dinâmica do fundido que se encontra na câmara de tratamento.

4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 até 3,caracterizado pelo fato de que a formação de cristais mistos é verificada pormeio de medição da temperatura do líquido de amostras que são extraídasda câmara de tratamento.

5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 até 4,caracterizado pelo fato de que a alimentação de energia ocorre em um curtoespaço de tempo por meio de um campo eletromagnético variável, de prefe-rência pulsante.

6. Lingotes de uma liga metálica, que provêm de um fundido deum material básico e uma peça de fundição moldada por um ou mais consti-tuintes de liga, caracterizado pelo fato de que o lingote é formado por umfundido no qual, durante o resfriamento, por meio de um campo físico variá-vel, foi introduzida por pouco tempo energia para aumentar a formação decristais mistos.