Bifilm generation in metal handling and degassing: Total numbers, sizes and damage

No mundo da fundição de metais, a resistência de uma peça acabada depende frequentemente do que não pode ser visto. Quando o alumínio fundido é vertido num molde, está constantemente exposto ao ar, e este contacto cria uma fina e invisível película de óxido na superfície. Se o metal líquido for agitado ou vertido descuidadamente, esta película pode dobrar-se sobre si mesma, aprisionando uma pequena bolsa de ar entre as duas camadas. Os engenheiros chamam a estas películas dobradas de "bifilmes". Não são apenas buracos vazios; são como fendas microscópicas de dupla camada que atuam como pontos fracos no interior do metal. Embora os métodos de teste tradicionais procurem estes defeitos verificando quanto o metal encolhe ou quantos bolhas visíveis se formam, estes testes falham frequentemente em detetar a vasta maioria dos danos. A verdadeira questão que os fabricantes enfrentam não é apenas se estes defeitos existem, mas quantos são criados durante o processo desordenado e turbulento de movimentação e tratamento do metal fundido, e quanto dano eles realmente causam.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Jönköping lançou um novo olhar sobre este problema, indo além da simples observação para construir um quadro detalhado de como estes defeitos ocultos nascem. Eles focaram-se em dois momentos específicos na linha de produção onde o metal é mais propenso a ser danificado: quando é vertido de um contentor para outro, e quando é tratado com uma haste giratória para remover gases. Ao combinar modelos matemáticos de movimento de fluidos com imagens de alta tecnologia de amostras de metal reais, descobriram que a forma como lidamos atualmente com o alumínio fundido está a criar muito mais danos do que qualquer pessoa imaginava, e que o passo mais perigoso não é a remoção de gases, mas o simples ato de verter.

Os investigadores começaram por modelar a física do que acontece quando o metal líquido é vertido. Imagine um fluxo de água a cair de uma altura para um balde; o impacto cria ondulações e salpicos que aprisionam o ar. Da mesma forma, quando o alumínio fundido é vertido de um forno para uma concha, ou de uma concha para um forno de espera, o fluxo descendente atinge a superfície do poço abaixo. Este impacto cria um tipo específico de turbulência que rasga a película de óxido superficial e a dobra para dentro do líquido. A equipa calculou que, sob condições industriais típicas, envolvendo duas tais transferências, este processo sozinho gera um mínimo de 1.577 destes defeitos de óxido dobrados em cada milímetro cúbico de metal. Descobriram que o tamanho destes defeitos pode atingir até 83 micrómetros, o que é aproximadamente a largura de um cabelo humano.

Em seguida, examinaram o processo de desgaseificação rotativa. Neste passo, uma haste giratória é mergulhada no metal fundido enquanto um gás inerte é borbulhado através dela para remover o hidrogénio indesejado. A ação de rotação cria um vórtice que ajuda as bolhas de gás a subir, levando as impurezas para a superfície. No entanto, os investigadores descobriram que este movimento de rotação também parte as bolhas de gás em pedaços menores, e cada uma destas minúsculas bolhas torna-se um novo local para a formação de uma película de óxido. O seu modelo previu que este processo adiciona outros 92 defeitos por milímetro cúbico. Embora este número seja menor do que o criado pela vertida, os investigadores notaram que o dano da desgaseificação é altamente sensível à velocidade com que a haste gira. Se a rotação for demasiado rápida, a turbulência torna-se violenta o suficiente para criar um número massivo de pequenos defeitos ocultos, tornando o passo da desgaseificação mais prejudicial do que o pretendido.

Para verificar se os seus cálculos coincidiam com a realidade, os cientistas recorreram a uma técnica poderosa chamada secção seriada por feixe de iões focado. Em vez de apenas observar a superfície de uma amostra de metal, utilizaram um feixe de iões para remover o material camada a camada, criando um mapa tridimensional do interior. O que encontraram foi surpreendente. Enquanto os seus modelos previam um mínimo de aproximadamente 1.577 defeitos por milímetro cúbico, as amostras reais continham aproximadamente 187.500 defeitos de óxido ocultos no mesmo volume. Isto é mais de duas ordens de magnitude superior à previsão. Mesmo quando os investigadores ajustaram os seus modelos para considerar o facto de as bolhas poderem partir-se em bolhas "filhas" menores — aumentando potencialmente o número previsto para entre 6.000 e 8.000 por milímetro cúbico — a lacuna permaneceu enorme.

Esta enorme discrepância levou a equipa a uma conclusão crítica: os processos de vertida e de desgaseificação, embora prejudiciais, não são a única fonte do problema. O enorme número de defeitos encontrados nas amostras sugere que uma parte significativa destas películas de óxido já está presente no alumínio bruto antes mesmo de este chegar à fundição. Elas provavelmente originam-se durante a produção primária do metal, um processo que remonta aos primórdios da fundição de alumínio. Isto significa que, mesmo que uma fundição aperfeiçoe a sua técnica de vertida, não consegue eliminar todos os defeitos porque o próprio material chega com um histórico oculto de danos.

Os investigadores também desenvolveram uma forma de medir o quão perigosos são estes defeitos, não apenas contando-os, mas considerando o seu tamanho e a sua posição dentro do metal. Descobriram que os defeitos criados durante a vertida são geralmente maiores e mais prejudiciais do que os criados durante a desgaseificação. De facto, o dano causado por uma única vertida de uma altura de apenas 0,3 metros é aproximadamente equivalente a seis minutos de desgaseificação vigorosa. Esta descoberta desafia as práticas atuais da indústria, que focam frequentemente muito na otimização do passo de desgaseificação, prestando menos atenção à transferência do metal. O estudo sugere que a forma mais eficaz de melhorar a qualidade do alumínio fundido é minimizar a turbulência e a altura da vertida, em vez de apenas tentar limpar o metal posteriormente.

Em última análise, este trabalho redefine a nossa compreensão de por que as peças de alumínio falham. Não basta procurar os buracos grandes e visíveis que se formam quando o gás se expande; a verdadeira ameaça reside nos milhões de minúsculas películas de óxido dobradas que são invisíveis a olho nu e aos testes padrão. Estas películas atuam como pontos de partida para fendas que podem enfraquecer o metal sob tensão. Ao perceberem que a matéria-prima chega com uma carga pesada destes defeitos ocultos, e que a vertida adiciona ainda mais, os engenheiros podem começar a repensar como manuseiam o metal fundido. O objetivo já não é apenas remover defeitos, mas compreender que a jornada do metal do forno para o molde é um processo contínuo de acumulação de danos, onde as ações mais simples, como a vertida, podem ter o impacto mais profundo na resistência final da peça.