O titânio e suas ligas não podem ser fundidos em contato com revestimentos refratários comuns. Na temperatura de fusão, o metal reduz a maioria dos óxidos e absorve prontamente oxigênio, nitrogênio, hidrogênio e carbono, o que fragiliza a liga. É por isso que a fusão do titânio é realizada sob vácuo ou sob gás inerte de alta{2}}pureza em um cadinho de cobre{3}}resfriado a água, onde uma fina camada solidificada da própria liga atua como a parede do recipiente.
Por que o derretimento de titânio precisa de vácuo ou gás inerte
O ponto de fusão do titânio comercialmente puro é 1668 graus C, e o Ti-6Al-4V, a liga mais utilizada, é fundido na mesma faixa. Nessas temperaturas, o metal líquido é altamente reativo: o oxigênio e o nitrogênio aumentam a dureza e reduzem a ductilidade, o hidrogênio causa porosidade e o carbono forma inclusões duras. Um cadinho refratário contaminaria o fundido enquanto era corroído por ele, de modo que o fundido é contido por uma fornalha de cobre resfriada a água ou por uma casca sólida autogerada da mesma liga.
Para referência, os requisitos químicos da composição forjada padrão Grau 5 (Ti-6Al-4V) sob ASTM B348 são alumínio 5,5 a 6,75%, vanádio 3,5 a 4,5%, ferro 0,30% no máximo, oxigênio 0,20% no máximo, carbono 0,08% no máximo, nitrogênio 0,05% no máximo e hidrogênio 0,015% no máximo. Esses limites intersticiais são a razão pela qual a prática de fusão é avaliada com base no controle de contaminação e não apenas no rendimento.
Rota 1 - fusão de arco de eletrodo não consumível
Nessa rota, um arco elétrico é formado entre um eletrodo não{0}}consumível, geralmente tungstênio ou grafite, e a carga sob vácuo ou proteção com gás inerte. A carga fica em uma fornalha ou cadinho de cobre resfriado a água e é derretida pelo arco e depois solidificada. O processo é flexível na composição da carga e é frequentemente usado para preparar eletrodos para a etapa subsequente de refusão, para derreter sucata e reverter material, ou para produzir pequenos calores e ligas experimentais onde um eletrodo completo não pode ser justificado.
As limitações são a contaminação do próprio eletrodo e o tamanho relativamente pequeno do fundido. Os eletrodos de grafite podem adicionar carbono, enquanto os eletrodos de tungstênio devem ser posicionados de forma que não possam entrar na poça de fusão.
Rota 2 - Refusão de arco a vácuo em um cadinho de cobre resfriado com água-
A refusão a arco a vácuo usa um eletrodo consumível feito de titânio compactado e soldado ou liga de titânio como cátodo e um cadinho de cobre-resfriado a água como ânodo. O arco derrete a ponta do eletrodo e o metal cai como gotículas na poça derretida abaixo. A superfície da piscina é mantida líquida pelo arco, enquanto o metal em contato com a parede do cadinho e a base é forçado a esfriar, de modo que a solidificação ocorre de baixo para cima.
O resultado é um lingote solidificado direcionalmente com uma estrutura relativamente sólida e baixo teor de gás. O controle de segregação, a estabilidade do arco e a taxa de fusão são as principais variáveis operacionais, e o eletrodo deve ser reto, corretamente soldado e livre de contaminação volátil para que o arco permaneça estável durante todo o fundido.
Rota 3 - Derretimento de Crânio com uma Concha de Condensação
O derretimento do crânio leva o princípio do-cadinho resfriado a água um passo adiante. Entre o cadinho de cobre e a liga líquida existe uma fina camada sólida da mesma liga de titânio, conhecida como caveira ou concha de condensação. Como o invólucro é feito do mesmo material que o fundido, ele atua como revestimento do cadinho e evita a contaminação do titânio líquido pela parede de cobre.
Essa configuração pode ser combinada com vazamento centrífugo para peças moldadas, e é por isso que ela é usada para peças moldadas e-fundidas de precisão. O fundido é mantido em uma caveira dentro do cadinho e depois derramado ou jogado centrifugamente no molde. Após o vazamento, a camada de crânio deixada para trás permanece no lugar e continua servindo como revestimento para a próxima bateria, o que reduz o risco de contaminação e o consumo do cadinho. O arranjo também torna o processo adequado para repetidas corridas pequenas e médias da mesma liga.
Controles de Fundição, Solidificação e Inspeção
| Ponto de controle | Objetivo |
|---|---|
| Atmosfera de câmara | vácuo ou gás inerte de alta-pureza para manter o oxigênio e o nitrogênio fora do fundido |
| Limpeza de carga | sem óleo, umidade, tinta ou sucata misturada que possa adicionar hidrogênio e intersticiais |
| Temperatura de vazamento | superaquecimento suficiente para enchimento do molde sem porosidade excessiva por contração |
| Condição do molde | casca limpa e corretamente cozida ou forro da matriz para evitar defeitos de gás |
| Verificação química | análise do fundido ou lingote acabado em relação ao grau especificado |
| Testes não-destrutivos | radiografia e exame com corante penetrante da superfície do molde e integridade interna |
| Tratamento térmico | alívio de tensão ou recozimento de acordo com a especificação do produto aplicável |
As especificações de fundição seguem a forma do produto. A ASTM B367 abrange peças fundidas de titânio, incluindo Grau C-5 para Ti-6Al-4V, enquanto o produto forjado é encomendado de acordo com especificações como ASTM B348. Componentes fundidos são frequentemente aceitos em uma combinação de análise química, solidez radiográfica e testes mecânicos de um cupom fundido com o lote de produção.
Perguntas frequentes
Q:Por que o titânio não pode ser derretido em um cadinho refratário?
R: O titânio líquido reduz a maioria dos óxidos refratários e absorve oxigênio e nitrogênio, o que fragiliza a liga. A fusão é, portanto, feita em cobre-resfriado com água ou em uma caveira da mesma liga.
Q:Qual é a diferença entre a-fusão por arco não consumível e a refusão por arco a vácuo?
R: A fusão por arco não{0}}consumível usa um eletrodo de tungstênio ou grafite e é flexível para pequenos aquecimentos e preparação de eletrodos. A refusão a arco a vácuo utiliza um eletrodo consumível da própria liga e produz um lingote solidificado direcionalmente com melhor homogeneidade.
Q:Qual é a camada de condensação no derretimento do crânio?
R: É uma fina camada sólida da mesma liga que se forma entre o cadinho de cobre-resfriado a água e o líquido fundido. Ele protege o fundido da contaminação por cobre e permanece no cadinho como revestimento para o próximo aquecimento.
Q:Quais elementos intersticiais são controlados durante a fusão?
R: Oxigênio, nitrogênio, hidrogênio e carbono. No Ti-6Al-4V forjado de acordo com ASTM B348 os limites são 0,20% de oxigênio, 0,05% de nitrogênio, 0,015% de hidrogênio e 0,08% de carbono como máximos.
Q:Qual padrão se aplica às peças fundidas de Ti-6Al-4V?
R: ASTM B367 cobre peças fundidas de titânio e inclui Grau C-5 para Ti-6Al-4V. O produto em barra forjada é encomendado de acordo com padrões como ASTM B348.
Q:Como a qualidade da fundição é verificada?
R: Por análise química da peça acabada, exame radiográfico para integridade interna, inspeção de superfícies com corante penetrante e testes mecânicos de cupons fundidos com o mesmo lote.
