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Conformação de ligas metálicas no estado semissólido
Conference Paper · October 2015
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Vivian Maria Marini
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Fabio Gatamorta
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XXII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica – 19 a 23/10/2015 
Campos dos Goytacazes – RJ 
 
CONFORMAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS NO ESTADO SEMISSÓLIDO 
 
Vivian Maria Marini 
Universidade Paulista - Unip 
Avenida Armando Giassetti, 577 – Vila Hortolândia, Jundiaí – SP. 
vivianmarini@hotmail.com 
 
Claudemir Aparecido Rosa; Fabio Gatamorta; Fernando Antônio Silva; Jozé Francisco Macedo; Rafael 
Henrique Garcia; Rodrigo Zenon Alf 
Faculdade Anhanguera Educacional 
Rua do Retiro, 3000 - Jardim das Hortências, Jundiaí – SP. 
rafaelh_garcia@hotmail.com 
 
RESUMO: Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento do processo de conformação de materiais no estado 
semissólido com uso de prensa pneumática. Para a realização do processo de tixoforjamento foi desenvolvida uma 
prensa em conjunto com um sistema matriz-punção. A matéria-prima foi inicialmente caracterizada quanto à suas 
propriedades de resistência à tração e dureza e posteriormente foi estudado quanto à sua tixoabilidade. Foram 
produzidas amostras tixoconformadas e os produtos obtidos foram caracterizados mecanicamente. Os resultados foram 
comparados com o do material comercial utilizado e mostraram uma redução de 25% na dureza do material e uma 
diminuição de 45% nos valores de limite de escoamento no material tixoforjado comparados ao material comercial. O 
uso da prensa pneumática se mostrou adequado ao processo de fabricação. 
 
Palavras-Chave: tixoforjamento, semissólido, prensa pneumática. 
 
ABSTRACT: This work aims at the development of the material forming process in semi-solid state with use of 
pneumatic press. For the realization of the process thixoforming a press has been developed in conjunction with a die-
punch system. The raw material was initially characterized as to their tensile strength properties and hardness and was 
subsequently studied for their thixoability. The samples were produced and the products obtained have been 
characterized mechanically. The results were compared with the commercial material used and showed a 25% reduction 
in material hardness and a 45% decrease in yield strength values in thixoforming materials compared to the commercial 
material. The use of a pneumatic press proved suitable for the manufacturing process. 
 
Keywords: thixoforging, semi-solid, pneumatic press. 
 
INTRODUÇÃO 
 
 A busca pelo aprimoramento tecnológico é um dos principais desafios da indústria moderna, onde o foco quase 
sempre está na busca de processos mais eficazes e baratos. Neste sentido, a fabricação de produtos near net shape 
(peças com acabamento e geometria próximos de sua forma final) tem se destacado nos ramos de pesquisas científicas. 
O desenvolvimento de processos de materiais no estado semissólido ganha grande destaque. 
 A conformação no estado semissólido constitui um processo no qual ligas metálicas são conformadas a partir de 
pastas tixotrópicas. Estas pastas apresentam em sua estrutura a presença de sólidos globulares em suspensão de líquidos. 
Por apresentar esta composição, a pasta assume um comportamento de escoamento tixotrópico, isto é, sua viscosidade é 
fortemente dependente da tensão aplicada seguindo uma relação não linear. Para tensões pequenas a pasta se comporta 
como sólido apresentando elevada viscosidade; a partir de uma determinada tensão, passa a escoar como líquido viscoso 
(Delbin, 2006). As características de fluidez das pastas tixotrópicas tornam-nas apropriadas para aplicações em 
processos de conformação mecânica. O escoamento laminar, característico do material semissólido conformado, faz 
com que o preenchimento de moldes com geometrias complexas ocorra sem turbulências. A utilização de forças se 
mostra inferior às requeridas para conformar o material no estado 100% sólido (Rovira, 2001), apresentando assim 
eventual redução dos custos finais de fabricação quando comparado aos processos de forjamento convencionais. 
 A utilização da tecnologia de semissólidos apresenta alto potencial para a indústria automotiva, e tem sido alvo de 
pesquisas,dado seu grande potencial de aperfeiçoamento. Apesar disso, é escassa a presença de conteúdo na literatura 
que aborde as reações dos materiais como influência das variáveis do processo, não sendo possível, o desenvolvimento 
de técnicas para sua utilização em larga escala. Desta forma este trabalho objetiva analisar o funcionamento da prensa 
durante o processo de tixoforjamento, assim como observar o preenchimento das matrizes durante a conformação à alta 
velocidade. 
 
 
METODOLOGIA 
 
Material utilizado 
 Foi utilizada, no estudo, a liga AA2024 na condição T3 (solubilizada e envelhecida). O material foi 
comercialmente recebido em barras laminadas nas dimensões de 24x105x580 mm. Para a produção das amostras 
tixoconformadas o material foi usinado em um torno convencional em barras cilindricas nas dimensões de 
ø16,5x135mm. 
 
Caracterização mecânica 
 As caracterizações mecânicas são importante pois podem ser usados como referencia para avaliar os processos de 
fabricação. A microestrutura pode ser associada as particularidades dos processos com seus mecanismos de aumento de 
resistencia mecânica pois o comportamento mecânico de um material esta relacionado com sua microestrutura. 
(Callister, 2008) 
 Foram realizados ensaios de tração normalizados e medidas de dureza Brinell. Os valores obtidos foram 
compilados com auxílio do software comercial Origin® e os resultados apresentados como uma curva típica de Tensão 
vs Deformação 
 Para realização dos testes de tração os corpos de prova foram ensaiados no equipamento da marca Kratos, modelo 
KE5000MP com capacidade máxima de força de 5000 kgf. A deformação foi medida através de um sensor ótico, com 
resolução de 0,01 mm. A velocidade de ensaio foi padronizada em 5 mm/s. 
 O ensaio de dureza foi realizado em um durômetro Reicheter, modelo BVR-187,5, a carga utilizada foi de 62,5kg e 
foram realizadas 5 medidas de dureza para cada amostra analisada. Os resultados foram apresentadas sob a forma 
gráfica. 
 
Caracterização Termodinâmica 
 A caracterização das propriedades termodinâmicas da liga e o intervalo de solidificação, formado pelo intervalo 
entre as temperaturas Tsolidus e Tliquidus, são importantes para determinação das frações líquidas e consequentemente as 
temperaturas necessárias à tixoconformação. Para determinar as temperaturas e a faixa de trabalho foram realizadas 
com, o auxílio de um software comercial THERMOCALC®, uma simulação termodinâmica. O resultado foi obtido sob 
a forma gráfica em uma curva de evolução de fração líquida, no semissólido, em função da temperatura e pode ser 
observado na Figura 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1: Curva de evolução da fração líquida em função da temperatura da liga AA2024. 
 
Projeto da prensa 
 Para a realização das tixoconformações uma prensa pneumática foi projetada e construída. A elaboração do projeto 
utilizou o software comercial SOLIDWORKS® e o dimensionamento foi realizado através de uma simulação numérica 
dos esforços mecânicos atuantes. Foi utilizado como atuador mecânico um pistão pneumático com dimensões 3.1/4” x 
7.1/2”. 
 A velocidade de avanço utilizada pelo atuador foi de 1m/s, gerando uma força de compressão aproximado de 
3000N. Esses valores foram suficientes para gerar cisalhamento no material e garantir a fluidez necessária para o 
preenchimento da matriz. O desenho do projeto é apresentado na Figura 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Desenho do projeto da prensa utilizada para a produção dos produtos tixoconformados. 
 
 No dimensionamento, o conjunto de flanges superior e inferior, associados às colunas da prensa, foram 
responsáveis por garantir a sustentação do conjunto mecânico. O espaçamento das colunas foi dimensionado de forma a 
não interferir na movimentação do material semissólido durante o processamento. O flange inferior foi dimensionado, 
visando à melhora da condição de equilíbrio da prensa, reduzindo a altura do centro de gravidade. 
 Segundo Rovira (2001) a fração líquida de materiais semissólidos tende a segregar quando sujeitada a altas forças 
de recalque. Atendendo a essa característica optou-se por um sistema de prensagem biaxial, realizando o 
aproveitamento da carga do cilindro com o auxílio de um sistema de mola. Ao realizar a prensagem, o sistema de mola 
garante a compensação das forças, equilibrando as tensões internas da pasta, garantindo um melhor preenchimento da 
matriz. O flange da matriz foi projetado de forma a comportar o sistema de molas e o conjunto da matriz. 
 A altura foi dimensionada para garantir o correto posicionamento da matriz, centralizada para a prensagem, 
impedindo a ocorrencia de tombamento durante a operação. O diâmetro interno foi construído para facilitar o ajuste 
permitindo uma troca rápida de matrizes em ciclos rotativos. Dessa maneira a montagem ocorreu sem grande esforço. 
Como o sistema trabalha sob temperatura o diâmetro do encaixe da matriz considerou as tolerâncias para dilatação 
térmica. O conjunto da prensa foi sustentado por quatro pés de apoio. A concepção dos pés visou à correção de nível da 
prensa, o que poderia eventualmente gerar forças internas diferentes das desejadas na estrutura do material. 
 Todo o conjunto foi submetido a um tratamento superficial de oxidação negra, visando a durabilidade e a melhora 
na aparencia do conjunto.Visando a segurança de operação da prensa, foi utilizada uma chapa com 2mm de espessura 
dobrada que envolveu a área de conformação. Esta chapa tem a característica de ser removível, podendo ser posicionada 
da melhor forma possível durante a operação. Desta forma os riscos de contato com metal líquido durante a prensagem 
são minimizados. O sistema de proteção pode ser observado na Figura 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3: Sistema de proteção adotado para minimizar possíveis acidentes. 
 
 
Desenvolvimento da matriz 
 Dos diversos materiais estudados para a fabricação de ferramentas de tixoconformação, foi optado pela utilização 
de aço SAE1020. O modelo de matriz escolhido, assim como a técnica, foi a de forjamento em matriz fechada. O 
volume interno da matriz durante a operação de tixoforjamento é o mesmo volume do corpo de prova de alumínio a ser 
inserido nela. Desta forma, assegura-se que o preenchimento ocorra de forma adequada. Para aperfeiçoar o processo de 
extração, o furo da matriz foi confeccionado com um alargador cônico. A conicidade adotada foi de 1:50 DIN 9A. O 
projeto da matriz está representado na Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4: Conceito utilizado na matriz de tixoconformação. 
 
Projeto pneumático da prensa 
 O projeto pneumático da prensa englobou a utilização de um atuador pneumático, um compressor com capacidade 
de 8bar, conjunto de mangueiras e uma válvula 5/2 vias, acionamento por alavanca. A válvula de acionamento foi 
posicionada atrás da proteção, visando a segurança do operador. O diagrama do sistema é apresentado na Figura 5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5: Diagrama do sistema pneumático da prensa. 
 
Obtenção do produto tixoconformado 
 O material foi tixoconformado a partir de tratamentos de fusão parcial controlada – FPC. No tratamento o material 
é aquecido dentro do intervalo de solidificação da liga e sua temperatura é mantida para promover a fusão da fase 
eutética. Essa fase esta presente na região de contorno de grão e a manutenção da temperatura promove a globularização 
da estrutura. Após a fusão do eutético temos a pasta tixotrópica que pode ser processada (Gatamorta, 2009). 
 Para o aquecimento foi utilizado um forno resistivo da marca Fornitec (2002),modelo 15x15x150, com capacidade 
de 1200°C e 4,4kW. O controle de temperatura foi feito com o auxílio de um termopar do tipo K (Cromel Alumel), 
posicionado em um orifício da matriz. Ao atingir a temperatura desejada, a matriz e o corpo de prova foram inseridos na 
prensa pneumatica para conformação. 
 A utilização de uma prensa pneumática visou o aproveitamento das frações líquidas com o forjamento de material 
semissólido em alta velocidade. Nos ensaios de compressão a quente, enquanto o fluxo de fase líquida não é 
estabilizado, não é possível ocorrer à deformação plástica que ocorreria normalmente com o encruamento dos grãos, 
fazendo com que o material adote características de um fluído (Torres, 2013). 
 
 No processo, os corpos de prova previamente usinados foram inseridos nas matrizes de forjamento pré aquecidas a 
uma temperatura de 620°C e mantidas nessa temperatura por um tempo de 3 minutos. Este tempo foi o suficiente para 
que ocorresse a fusão da fase eutética e globularização da fase primária. A fração líquido/sólido da liga prevista pelo 
cálculo termodinâmico indicou a proporção de faixa de 45% a 50%. A taxa de aquecimento dos corpos de prova foi de 
aproximadamente de 14°C/min. 
 A força de recalque aplicada pela prensa foi de 3000N e o avanço do atuador pneumático foi de aproximadamente 
1m/s. Para extração dos corpos de prova, as matrizes foram resfriadas em ambiente ate atingir a temperatura de 300°C e 
posteriormente resfriadas em água corrente. Este procedimento visou a não alteração das propriedades mecânicas da 
matriz. As amostras usinadas e o produto tixoconformado obtidos podem ser observados na Figura 6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6: Matéria prima utilizada e material tixoconformado em prensa pneumática. 
 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
 Os resultados mostraram uma boa tixoabilidade da liga AA2024, assim como boas propriedades para 
tixoforjamento. O preenchimento das matrizes ocorreu de forma satisfatória, resultando em um produto com bom 
acabamento superficial. O ferramental da prensa operou de forma satisfatória. Com exceção à dificuldade encontrada no 
posicionamento da matriz aquecida, e de extração do punção, os demais componentes funcionaram corretamente. A 
produção dos lingotes tixoforjados ocorreu com excelente qualidade. Os resultados esperados pelo forjamento com alta 
velocidade mostraram-se satisfatórios. A Figura 7 apresenta as curvas obtidas a partir dos ensaios de tração do material 
comercial e tixocomformado, geradas a partir do software comercial Origin®. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7 Curva comparativa das medias de tensão versus deformação dos materiais na condição 
comercial laminada T3 e tixoconformada. 
 
 É possível observar que os maiores valores de resistência são obtidos no material comercial (AA2024-T3). Essa 
característica pode ser associada ao tratamento de solubilização e envelhecimento que proporcionam aumento de 
propriedade nas ligas de alumínio. Outro fator a ser considerado são as taxas de deformação impostas ao material que 
foi laminado caracterizando assim, um aumento de resistência mecânica. 
 
 
 
 
 
Tabela 1 Valores de Tensão x Deformação encontrados para a Liga AA2024 nas 
Condições: comercial e tixoconformada. 
 
Condição 
Tensão Máxima 
(MPa) 
Deformação Máxima 
(%) 
Comercial 374,6 ± 2,62 12,4 ± 1,04 
Tixo 216 ± 17,9 6,46 ± 1,0 
 
 A partir dos gráficos foram extraídos os valores reais de propriedades mecânicas. A Tabela 1 apresenta os valores 
encontrados no ensaio de tração para a liga AA2024 nas condições de estudo. Pode ser observado, ao se analisar os 
resultados obtidos, que os valores de limite de resistência à tração para o material tixoforjado caiu cerca de 45% quando 
comparado ao material comercial. Esta diferença ocorre principalmente pelo fato de o material comercial possuir uma 
estrutura cristalina mais compactada com eutético precipitado no grão de fase primária. Outro fator importante a se 
analisado é o aumento do tamanho de grão ocasionado pelo processo térmico que acentua a difusão responsável pelo 
crescimento de grão no material. 
 Foi possível observar uma redução de aproximadamente 25% do valor de dureza. Esta redução já era esperada e 
pode ser justificada pelo aumento significativo do tamanho dos grãos globularizados e coalescidos. A ausência de 
tratamento térmico no material tixoconformado também influenciou nos valores finais de dureza uma vez que o 
tratamento de solubilização e envelhescimento promove aumento de resistencia mecanica e aumento de dureza em 
amostras tratadas (Torres, 2013) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 Gráfico de barras com o valor de dureza média para as condições laminada-T3 e tixoconformada. 
 
CONCLUSÃO 
 
 Os resultados mostraram viabilidade da utilização da técnica de tixoforjamento como método alternativo na 
fabricação de componentes. O forjamento no estado semissólido permite a obtenção de peças com geometria complexa 
em uma única etapa que dificilmente aconteceria em um forjamento convencional. Foi observado também que com 
pequenos valores de força o material é conformado. Pequenas trincas surgem na superfície do material, mas que isso 
poderia ser reduzido com o aumento das forças de recalque. 
 O processo implicou ao material uma redução de 45% nos valores de limite de resistencia mecânica. Esse valor 
pode ser elevado com a realização de tratamentos de solubilização e envelhecimento podendo elevar os valores de 
resistencia do material tixoconformado à valores semelhantes aos do material laminado e tratado. 
 A estrutura tixotrópica, por apresentar morfologia globularizada caracteriza o material como um material de 
comportamento mecânico isotrópico trazendo grande beneficio na aplicabilidade do processo em componentes 
mecânicos. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
 Os autores agradecem à toda a equipe dos laboratórios da Faculdade Anhanguera e ao professor Fábio Gatamorta 
pela orientação. 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
Callister Jr., William T. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7° Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 
Delbin, D. Estudo da Viabilidade de Produção de Esponjas da Liga A2011 a Partir do Estado Semi-Solido. Dissertação 
de Mestrado - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas; Campinas, 2006. 
Gatamorta, F. Obtenção de espumas sintáticas da liga AA2011 a partir do metal no estado semissólido e sua 
caracterização metalúrgica. Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas; Campinas, 2009. 
Rovira, M.M.M. Forjamento da Liga AA2011 no Estado Semi-sólido: Estudo do Processo e do Produto. Tese de 
Doutorado - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas; Campinas, 2001. 
Torres, L. V. Tixoconformação de novas ligas Al-Si-Cu. Dissertação de Doutorado – Faculdade de Engenharia 
Mechanical, Universidade Estadual de Campinas; Campinas, 2013. 
 
DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE 
 
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