(ANALISE DOS EFEITOS DA SOLIDIFCAÇÃO DIRECIONAL NA...

Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas

ANÁLISE DOS EFEITOS DA SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL

NA LIGA AA3003 MODIFICADA

LUIS ANTONIO PEREIRA

Itatiba – São Paulo – Brasil

Dezembro de 2009

ii

Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas

ANÁLISE DOS EFEITOS DA SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL

NA LIGA AA3003 MODIFICADA


Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr. Carmo Roberto Pelliciari de Lima, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador : Prof. Dr. Carmo Roberto Pelliciari de Lima

Itatiba – São Paulo – Brasil

Dezembro de 2009

iii

ANÁLISE DOS EFEITOS DA SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL NA LIGA

AA3003 MODIFICADA.


Monografia defendida e aprovada em 12 de Dezembro de 2009 pela Banca

Examinadora assim constituída:

Prof. Dr. Carmo Roberto Pelliciari de Lima (Orientador)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Dr. Osmar Roberto Bagnato (Membro Interno)


Prof. Dr. João Batista Fagagnolo (Membro Interno)


iv

Epígrafe

• "Dentre todas as comunidades (...), a única

que eu gostaria de pertencer e me dedicar

é a dos verdadeiros pesquisadores, que só

conta com alguns raros membros vivos."

(Albert Einstein)

v

Dedicatória

A meus pais José Luiz Pereira e Maria Chacrinha

Pereira, sem os quais não chegaria até aqui.

A minha esposa Claudia Priscila Pianca Pereira,

que sempre me deu força e me apoio.

A minhas irmãs, Maria Luiza e Isabel Cristina, que

sempre esteve do meu lado me dando valiosos

conselhos.

Sou eternamente grato a todos.

vi

Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao Professor Carmo Roberto Pelliciari de Lima, meu orientador, que

acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros

percalços do trajeto.

Ao professor Fernando Cesar Gentile, Maestro e amigo pelo apoio e paciência na finalização

desse trabalho.

Ao professor Eduardo Balster, amigo e professor pela orientação para finalizar esse trabalho.

Agradeço também as Professoras Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo e Neide Aparecido

Marino, companheiras de percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste

trabalho, agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade.

Alguns experimentos e vários “entendimentos” não teriam sido possíveis sem a colaboração

dos instrutores e técnicos, Celso, Baptista e Abrão.

Aos amigos, profissionais da Universidade São Francisco, Sergio, Gislene, Eva, Graziela e

Paula, pelo apoio e paciência da realização desse trabalho e entre outros.

Ao amigo, João Luciano dos Santos Filho, por ter ajudado muita vezes dentro e fora do

contesto desse trabalho.

Ao amigo Davilson pelo apoio paciência e por ter ajudado vários sábados.

Aos amigos, Cidiney Barroso, Diego do Santos, Franklin Guarise, Fernando Furlan, Ricardo

Rosseto, Robson Amorin, Leonardo Meneghin, Vitor Oliveira, Alex Tromboni e Marcelo

Camargo pelo apoio.

Agradeço também ao amigo Marcelo Miyazaki, pelo apoio e paciência pelo empréstimo dos

equipamentos.

Agradeço também ao amigo Fabio Roberto, pelo empréstimo do computador em varias

ocasião.

A USF e a FAPESP com o projeto 06/53358-6.

Eu agradeço fraternalmente a todos.

vii

Sumário

Lista de Siglas .......................................................................................................................... ix

Lista de Figuras ........................................................................................................................ x

Lista de Tabelas .....................................................................................................................xiv

Resumo .................................................................................................................................... xv

Abstract ..................................................................................................................................xvi

1 Introdução .......................................................................................................................... 1 1.1 Objetivos ....................................................................................................................... 2 1.2 Justificativa.................................................................................................................... 2

2 Revisão bibliográfica ......................................................................................................... 3 2.1 Indústria de alumínio no mundo ................................................................................... 3 2.2 Alumínio e suas características ..................................................................................... 4 2.3 Propriedades e aplicações da liga AA3003. .................................................................. 5 2.4 Solidificação.................................................................................................................. 6

2.4.1 Transferência de calor durante a solidificação .......................................................7 2.4.2 Parâmetros térmicos e o crescimento dendrítico ....................................................8 2.4.3 Parâmetros térmicos na solidificação ...................................................................11

2.4.3.1 Velocidade de solidificação ........................................................................... 11 2.4.3.2 Gradientes térmicos ....................................................................................... 12 2.4.3.3 Taxas de resfriamento.................................................................................... 13

3 Materiais e métodos ......................................................................................................... 14 3.1 Montagem da casca. .................................................................................................... 14

3.1.1 Refusão. ................................................................................................................16 3.1.2 Vazamento. ...........................................................................................................17 3.1.3 Vazamento do metal liquido.................................................................................18 3.1.4 Aquisição dos dados. ............................................................................................18 3.1.5 Corte; Embutimento; Lixamento e Ataque Químico............................................21 3.1.6 Ataque químico. ...................................................................................................22

4 Resultados e discussões.................................................................................................... 23 4.1 Análise do experimento proposto................................................................................ 23 4.2 Macrografia. ................................................................................................................ 31 4.3 Formação da microestrutura........................................................................................ 31 4.4 Parâmetros térmicos de solidificação.......................................................................... 36 4.5 Modo de solidificação da liga de Alumínio. ............................................................... 40 4.6 Caracterização das microestruturas............................................................................. 41

5 Conclusão.......................................................................................................................... 44

viii

6 Sugestões para próximos trabalhos................................................................................ 46

Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 47

ix

Lista de Siglas

ABAL Associação Brasileira do Alumínio

Al Alumínio

Mn Manganês

Mg Magnésio

Fe Ferro

Si Silício

PIB Produto Interno Bruto

g/cm³ Gramas / centímetros cúbicos.

ºC Graus Celsius

MPA Mega Pascal

HB Medida de dureza

GPA Giga Pascal

J/Kg.k Joule/ kilograma metro / Kilo

SD Solidificação Direcional

x

Lista de Figuras

Processo de solidificação. (a) elemento de referência do sistema

metal/molde (b) mecanismos de transferência de calor no molde [GARCIA, 1978]............

Figura 2.1 -

08

Evolução da morfologia interfacial com o aumento da taxa de

solidificação. (v1<v2<v3<v4<v5<v6<v7<v8) [JAIME, 2002]..............................................

Figura 2.2 -

09

Microssegregação em torno de ramos celular e dendríticos: (a) vista

longitudinal; (b) vista transversal e (c) redistribuição de soluto durante a solidificação

[JAIME, 2002].......................................................................................................................

Figura 2.3 -

09

Espaçamentos dentríticos primários, secundários e terciários [ALVES,

1994].......................................................................................................................................

Figura 2.4 -

10

Esquema do posicionamento dos termopares e coquilha acoplada na

parte inferior da casca cerâmica.............................................................................................

Foto lateral da casca instrumentada...........................................................

Figura 3.1a -

Figura 3.1b -

15

16

Foto da vista superior.................................................................................

Figura 3.1c - 16

Forno de resistência elétrica utilizada para refundir a liga de AA3003.....

Figura 3.2 - 16

Dispositivo (forno) para obtenção de SD de ligas não-ferrosas................

Figura 3.3 - 17

Instrumentação do dispositivo direcional com a casca .............................

Figura 3.4 - 17

Coquilha de cobre [PEREIRA, 2007]........................................................

Figura 3.5 - 17

Dispositivo SD montado com coquilha de cobre e casca de cerâmica

[PEREIRA, 2007]...................................................................................................................

Figura 3.6 -

17

Aquecimento da casca com o dispositivo e vazamento da liga AA3003..

Figura 3.7 - 18

Micro computador aclopado a uma placa de aquisição de dados..............

Figura 3.8 - 19

xi

Esquema do sistema de aquisição de dados [PEREIRA, 2007].................

Figura 3.9 - 20

Apresentação esquemática das regiões dos corpos de prova de onde

foram retiradas as amostras para ataque metalografico (a) macrografias e (b) micrografias

longitudinal e transversal [MELO, 1997]..............................................................................

Figura 3.10 -

21

Curva de resfriamento experimental da liga AA3003-4,5%Mg

utilizando sistemas de aquisição de dados e termopares tipo k em diferentes posições

(Ensaio 1)...............................................................................................................................

Figura 4.1 -

23



(Ensaio 2)...............................................................................................................................

Figura 4.2 -

24



(Ensaio 3)...............................................................................................................................

Figura 4.3 -

25

Perfis entres as linhas de temperaturas da liquidus e solidus, que está

entre 550ºC A 660ºC (Ensaio 1).............................................................................................

Figura 4.4 -

26



Figura 4.5 -

27



Figura 4.6 -

28

Taxas de resfriamento experimental para diferentes ensaios realizados

de solidificação direcional com a liga AA3003-4,5%Mg......................................................

Figura 4.7a -

28

Taxas de resfriamento experimental para diferentes ensaios realizados

de solidificação direcional com a liga Al-4,5%Cu, comparadas com taxas de

experimentos semelhantes. a esquerda [MELO, 1996], a direita outros pesquisadores........

Figura 4.7b -

28

Ilustração esquemática das estruturas macroscópicas de um lingote

fundido com transição colunar/equiaxial [GARCIA, 2001]..................................................

Figura 4.8 -

29

xii

Direções de crescimento esquemáticas: morfologia celular (a),

morfologia de transição celular a dendrítica (b) e morfologia dendrítica (c), onde a

direção de crescimento é definida por fatores cristalográficos [FLEMINGS, 1974].............

Figura 4.9 -

32

Macrografias da liga AA3003 obtida através do dispositivo para

obtenção de solidificação direcional construído na USF. ataque Keller. aumento

real.(Ensaio1).........................................................................................................................

Figura 4.10 -

33



real.(Ensaio2).........................................................................................................................



real.(Ensaio3).........................................................................................................................

Figura 4.11 -

Figura 4.12 -

34

35

Velocidade da frente de solidificação em função da distância da

coquilha..................................................................................................................................

Figura 4.13 -

37

Gradiente da frente liquidus em função da distância da coquilha............. Figura 4.14 - 38

Tempo local de solidificação em função da distância da coquilha............

Figura 4.15 - 39

Diagrama de equilíbrio para ligas de alumínio [ASM, 1988].................... Figura 4.16 - 40

Diagrama de fases da liga AA3003 – Mg..................................................

Figura 4.17 - 41

Amostra (longitudinal)............................................................................... Figura 4.18 - 42

Amostra (transversal)................................................................................. Figura 4.19 - 42





xiii







xiv

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Propriedades físicas em relação a outros materiais......................................... 04

Tabela 2.2 – Propriedades da Liga AA3003........................................................................ 05

Tabela 3.1 – Distância em (mm) do posicionamento de cada termopar............................. 20

xv

Pereira, Luis Antonio, Análise dos efeitos da solidificação direcional na liga AA3003

modificada, Itatiba, Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da Universidade

São Francisco, Campus de Itatiba – SP, 2009, <49 páginas>, Monografia.

Resumo

O objetivo do trabalho é analisar os efeitos da solidificação direcional na liga de

alumínio AA3003 modificada e determinar: os parâmetros térmicos relevantes durante a

solidificação e ao sistema (gradiente térmico, velocidade da frente liquidus, tempo local de

solidificação, taxa de resfriamento) e analisar a microestrutura das amostras obtidas. A

técnica de SD (solidificação direcional) é utilizada para a produção de peças onde é mais

interessante que haja estruturas colunares, utilizando-se de forma apropriada a decorrente

anisotropia das propriedades mecânicas, já que em algumas importantes aplicações as

tensões mais significativas se alinham unidirecionalmente ao longo de um único eixo. Uma

destas aplicações é a produção de pás de turbinas a gás, seja para fins aeronáuticos ou para

geração de energia. Esta técnica consiste em direcionar o fluxo de extração de calor do

metal no molde para obtenção de uma estrutura colunar. Visando obter a relação entre os

parâmetros térmicos durante a solidificação e a microestrutura bruta de fusão, para que se

tenha um controle do processo e das características finais do fundido, foram realizadas

aquisições dos dados térmicos através de um sistema computadorizado de aquisição de

dados para controle da temperatura. As amostras obtidas foram caracterizadas por técnicas

tradicionais de metalografia, que consistem em preparação das amostras e revelação da

macroestrutura e da microestrutura formada.

PALAVRAS-CHAVE: solidificação direcional, parâmetros térmicos; velocidade da frente

liquidus, tempo local de solidificação, taxa de resfriamento e analise microestrutural.

xvi

Abstract

The objective of this study is to analyze the effects of directional solidification in

aluminum alloy AA3003 modified and determined: the thermal parameters relevant during

solidification and the system (thermal gradient, velocity of liquidus front, local solidification

time, cooling rate) and analyze the microstructure of the samples. The technique of SD

(directional solidification) is used for the production of parts where it is interesting that there

are columnar structures using properly due to anisotropy of mechanical properties, as in some

important applications the most significant strains are aligned unidirectionally along a single

axis. One of these applications is the production of blades of gas turbines, whether for aircraft

or for power generation. This technique is to direct the flow of extraction of heat from the

metal into the mold to obtain a columnar structure. In order to obtain the relation between the

heat during the solidification and microstructure gross merger, in order to have control of the

process and the final characteristics of the cast, there were acquisitions of thermal data

through a computerized data acquisition control temperature. The samples were characterized

by traditional techniques of metallography, consisting of sample preparation and revelation of

the macrostructure and the microstructure formed.

KEY WORDS: directional solidification, thermal parameters, speed liquidus front, local

solidification time, cooling rate and microstructural analysis.

1

1 Introdução

O alumínio, apesar de ser o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, é um

dos metais mais empregado em escala industrial. Mesmo utilizado milênios antes de Cristo, o

alumínio começou a ser produzido comercialmente há cerca de 150 anos, sua produção

atualmente supera a de todos os outros metais não ferrosos, mostrando a importância do

alumínio para a nossa sociedade [ABAL, 2007].

Sua cronologia mostra que, mesmo nas civilizações mais antigas, o metal dava um tom

de modernidade e sofisticação aos mais diferentes artefatos. Hoje, os Estados Unidos e o

Canadá são os maiores produtores mundiais de alumínio. Entretanto, nenhum deles possui

jazidas de bauxita em seu território, dependendo exclusivamente da importação. O Brasil tem

a terceira maior reserva do minério no mundo, localizada na região amazônica, perdendo

apenas para Austrália e Guiné. Além da Amazônia, o alumínio pode ser encontrado no

sudeste do Brasil, na região de Poços de Caldas (MG) e Cataguases (MG). A bauxita é o

minério mais importante para a produção de alumínio, contendo de 35-55% de óxido de

alumínio [ABAL, 2007].

As ligas de alumínio apresentam como principais características: baixo ponto de fusão

(em torno de 660ºC), tendência a formação de micro porosidades e reatividade ao oxigênio

(tendência a formação de inclusões de óxidos) [ALBERTIN, 2002].

Umas das principais conseqüências do baixo ponto de fusão destas ligas é a

flexibilização dos moldes utilizados. Assim, peças fundidas podem ser produzidas em moldes

metálicos, de areia, de gesso e em materiais cerâmicos [MELO, 1996].

Dentre as ligas do sistema Al-Mn, também conhecidas como ligas da série 3XXX, uma

das mais utilizadas é a 3003 [MONDOLFO, 1977], a qual será utilizada neste trabalho. A liga

3003 é uma das ligas de alumínio mais antigas e até hoje é amplamente utilizada. Ele

preenche em parte o vazio existente entre o alumínio comercialmente puro e as ligas de

alumínio de alta resistência (endurecíveis por precipitação coerente). A adição de manganês

proporciona aumento de resistência mecânica, causando uma redução ligeiramente da

ductilidade. A sua resistência a corrosão também é melhor que as ligas Al-Fe-Si (alumínio

comercialmente puro). Apresenta boa conformabilidade e soldabilidade [MARTINS, 2005].

As ligas desta série não são tratáveis termicamente, entretanto, apresentam resistência

20% superior que ligas da série 1xxx. Devido à baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%)

2

existem poucas da série 3xxx. Entretanto três delas são largamente empregadas na indústria:

3003, 3004 e 3005 [MOREIRA, 2001].

As principais característica e aplicações dessa liga são: componentes de resistência

mecânica baixa que exijam elevada ductilidade; latas de bebidas; utensílios de cozinha;

trocadores de calor; tanques de armazenamento; sinalização rodoviária e painéis decorativos e

telhados para uso na construção civil.

Neste trabalho será utilizado à técnica de solidificação direcional é utilizada para a

produção de peças onde é mais interessante estruturas colunares, utilizando-se de forma

apropriada a decorrente anisotropia das propriedades mecânicas, já que em algumas

importantes aplicações as tensões mais significativas se alinham unidirecionalmente ao longo

de um único eixo. Uma destas aplicações é a produção de pás de turbinas a gás, seja para fins

aeronáuticos ou para geração de energia [CARAM, R.; WILCOX, W. , 1992].

1.1 Objetivos

O objetivo deste trabalho é analisar os efeitos da solidificação direcional na liga

AA3003 e determinar: os parâmetros térmicos relevantes durante a solidificação e ao

sistema (gradiente térmico, velocidade da frente liquidus, tempo local de solidificação, taxa

de resfriamento) e analisar a microestrutura das amostras obtidas.

1.2 Justificativa

Os resultados obtidos neste trabalho definirão os parâmetros térmicos adequados a

serem empregados durante a solidificação e o tipo da microestrutura bruta de fusão obtida,

para controlar o processo e as características finais do fundido. Parâmetros importantes e

necessários no processamento das ligas para obter as propriedades finais desejadas e o

desempenho solicitado durante a sua aplicação.

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Indústria de alumínio no mundo.

Quando o alumínio era pouco conhecido e tinha um custo elevado de produção, suas as

primeiras aplicações foram limitadas a trabalhos luxuosos, como em estatuetas e placas

comemorativas. Com o desenvolvimento dos processos industriais, o metal passou a estar

disponível em maiores quantidades (embora ainda medido em quilos ao invés de toneladas), e

começou a ser usado na decoração Vitoriana como em bandejas e escovas de cabelo

ornamentais. No final do Século XIX, com o aumento da produção e preços menores, foi

sendo gradualmente utilizado em utensílios de cozinha e em alguns dos primeiros automóveis

que já possuíam painéis revestidos de alumínio comercialmente puro.

Consequentemente, no início do Século XX, as indústrias de alumínio começaram a

trabalhar na produção de ligas de alumínio com propriedades mecânicas mais elevadas. Os

primeiros experimentos ocorreram através de tentativas e erros, aliados a observações,

responsáveis pelo aprimoramento dos princípios metalúrgicos fundamentais envolvidos.

O rápido e notável crescimento da importância do alumínio na indústria foi resultado de

uma série de fatores como:

• É um metal que possui excelente combinação de propriedades úteis, resultando

numa adequabilidade técnica para um campo vasto de aplicações em engenharia;

• Pode ser facilmente transformado por meio de todos os processos metalúrgicos

normais, tornando-se assim, viável à indústria manufatureira em qualquer forma necessária;

• Em laboratórios acadêmicos, a indústria do alumínio e seus próprios usuários têm

desenvolvido novas pesquisas, técnicas de fabricação, de soldagem e de acabamento, o que

tem levado a um conhecimento maior de técnicas de engenharia deste metal, fazendo com que

seja considerado um material de fácil aplicação;

• Livre divulgação da indústria sobre recomendações aos usuários e potenciais de

uso do alumínio, o que foi muito importante para sua aceitação geral.

Por volta da Segunda Guerra Mundial, em 1943, os maiores produtores de bauxita eram

os Estados Unidos, a Guiana Britânica, Hungria, Iugoslávia, Itália, Grécia, Rússia, Suriname,

Guiana, Indonésia e Malásia. Em 1952, a Jamaica iniciou intensa mineração de bauxita,

4

ultrapassando o Suriname, que foi por anos o maior produtor e na década de 1960, a Austrália

e Guiné [ABAL, 2007].

2.2 Alumínio e suas características.

A importância da indústria do alumínio para o país é comprovada pela significativa

participação no PIB (1% no PIB total em 1999) e pela participação das exportações, que

alcançaram no ano de 2000 cerca de 3,5% do total [VIEIRA, 2000].

As principais características do alumínio são: versatilidade e durabilidade,

impermeabilidade e opacidade, facilidade de conformação, alta condutibilidade térmica e

elétrica, ótima resistência à corrosão, razoável resistência mecânica, baixo peso especifico,

excelente aspecto estético, reciclabilidade [MARTINS, 2005].

As principais aplicações do alumino são [MARTINS, 2005]:

• Indústria de transporte: automóveis, caminhões, ônibus, autopeças.

• Indústria de eletricidade: cabos condutores, barramentos, eletrodutos,

• Máquinas e equipamentos: Peças fundidas para máquinas industriais de minério e

de agricultura.

• Embalagens: para medicamento, bebidas e produtos alimentícios.

• Bens de consumo: eletrodomésticos, eletroeletrônicos.

• Construção civil.

A Tabela 2.1 mostra comparativamente as principais propriedades físicas do alumínio

em relação ao aço e cobre [ABAL, 2007].

Tabela 2.1 - Propriedades físicas em relação a outros materiais [ABAL, 2007].

Propriedades Físicas Típicas Alumínio Aço Cobre

Densidade (g/cm³) 2,70 7,86 8,96

Temperatura de fusão (ºC) 660 1500 1083

Modulo de elasticidade (MPA) 7000 205000 110000

Coeficiente de dilatação térmica (L/ºC) -623.10 -611,7.10 -616,5.10

Condutibilidade térmica a 25ºC (W/m.K) 0,53 0,12 0,94

Condutibilidade elétrica (%IACS) 61 14,5 100

5

2.3 Propriedades e aplicações da liga AA3003.

Dentre as ligas do sistema Al-Mn, também conhecidas como ligas da série 3XXX, uma

das mais utilizadas é a 3003 [MONDOLFO, 1977]. A liga 3003 é uma das ligas de alumínio

mais antigas e ate hoje e amplamente utilizada. Ela preenche em parte o vazio existente entre

o alumínio comercialmente puro e as ligas de alumínio de alta resistência (endurecíeis por

precipitação coerente).

A adição de manganês proporciona aumento de resistência mecânica, causando uma

redução ligeira na ductilidade. A sua resistência a corrosão também é melhor que a das ligas

Al-Fe-Si (alumínio comercialmente puro). Apresenta boas conformidade e soldabilidade. É

comumente utilizada na forma de chapa, folha e tubos. Dentre suas numerosas aplicações,

pode-se destacar trocador de calor em indústrias, radiadores de veículos e utensílios de

cozinha [MARTINS, 2005].

As principais propriedades da liga AA3003 no estado recozido e do alumínio, estão

apresentadas na Tabela 2.2 [DAVIS, 1993].

Tabela 2.2 – Propriedades da Liga AA3003 [DAVIS, 1993].

Número atômico Al 13

Peso atômico do Al 26.98

Estrutura cristalina do Al CFC

Parâmetro de rede do Al 4,04 Ǻ

Ponto de fusão do Al 660ºC

Densidade a 20ºC da liga 2.73 g/cm³

Condutividade elétrica a 20ºC da liga 50% IACS

Resistividade elétrica a 20ºC da liga 34 nΩ.m

Calor específico a 20ºC da liga 893 J/Kg.K

Condutividade térmica a 20ºC da liga 193 W/m.K

Limite de resistência à tração da liga 110MPa

Limite de escoamento da liga 42MPA

Alongamento da liga 30-40%

Módulo de elasticidade da liga 70 GPa (tração) / 25 GPa (cisalhamento)

Resistência à fadiga da liga 48 MPa

Dureza da liga 28HB

6

2.4 Solidificação.

Fisicamente, a solidificação é definida como um processo de transformação de fase

líquida em fase sólida que, de forma controlada, é largamente utilizada em processos

industriais [FLEMINGS, 1974].

É na fundição dos metais que a solidificação encontra seu mais vasto campo de

aplicação. O objetivo fundamental da fundição é dar forma adequada ao metal, vertendo-o em

estado liquido dentro da cavidade de um molde com a forma desejada; o próprio molde retira

calor do metal liquido provocando sua solidificação e fixando sua forma inicial. Entretanto,

apesar da extrema simplicidade, a solidificação do metal no molde não se efetua de modo

passivo, como pode parecer à primeira vista [GARCIA, 2001].

A obtenção da estrutura formada especificamente após o processo de solidificação

determinará as propriedades dos produtos finais, não somente no caso de produtos fundidos

(utilizados no estado bruto de fusão), mas também quando estes produtos são posteriormente

trabalhados para a produção de produtos semi-acabados (barras, chapas e fios) [ANDRADE,

2003].

A transformação líquida – sólida pela qual passa o metal é de natureza ativa e dinâmica,

já que durante a mesma ocorrem diversos eventos que, se não forem devidamente controlados,

podem comprometer o desempenho do produto final ou, até mesmo, interromper a seqüência

de fabricação.

Tais eventos podem dar origem a diversos tipos de heterogeneidades que interferem

drasticamente na qualidade metalúrgica do produto final. Além das heterogeneidades físicas,

geralmente decorrentes da variação de volume especifico do metal (rechupes, trincas, poros

de contração e outros tipos de defeitos), podem surgir heterogeneidades químicas (segregação

de impurezas ou de elementos de liga em escala microscópica ou macroscópica) e

heterogeneidades estruturais (tipo, distribuição, tamanho, orientação dos grãos cristalinos e

dendríticos) [FLEMINGS, 1974].

A solidificação direcional (SD) tem como objetivo a obtenção de estruturas colunar

através do direcionamento do fluxo de calor durante a solidificação do metal. Consiste em

utilizar dispositivos que apresentam um bom isolamento nas laterais para evitar a extração de

calor pelas paredes no molde e a frente da interface de crescimento.

Um dos aspectos interessante dessa técnica é correlacionar a estrutura obtida

(espaçamentos interdendríticos primários e secundários) com a composição da liga, a

7

velocidade de crescimento, o gradiente térmico, o tempo local de solidificação e a taxa de

resfriamento [MASON, 1982].

A solidificação direcional tem se tornado uma técnica usual na investigação do modo da

formação das interfaces nas transformações de fase [KASSNER, 1998].

2.4.1 Transferência de calor durante a solidificaçã o.

A solidificação de um metal é fundamental num processo de transferência de calor. O

calor latente de fusão, anteriormente desprendido para fundir o metal, é liberado na interface

sólido/liquido durante a solidificação e dali deve ser transferido para que o processo tenha

continuidade.

A velocidade com que o calor é extraído é transferido através do metal, e tem relação

direta com a velocidade de solidificação. Assim sendo, a análise do processo de transferência

de calor que ocorre durante a solidificação surge como uma poderosa ferramenta no controle e

dimensionamento do sistemas metal/molde. A viabilidade da análise também dependerá de

algumas simplificações que atenuem sua complexidade matemática, mas que não

comprometam a confiabilidade dos resultados obtidos [GARCIA, 1978].

A solidificação pode ser considerada fundamentalmente como um processo de

transferência de calor em regime transitório. A transformação liquido/sólido é acompanhada

por liberação de energia térmica, como uma fronteira móvel separando as duas fases de

propriedades termo físicas distintas. A análise da transferência de calor na solidificação

apresenta essencialmente dois objetivos: determinação da distribuição de temperaturas no

sistema material substrato (metal/molde no caso da fundição de metais) e a determinação da

cinética de solidificação [GARCIA, 2001].

A Figura 2.1a apresenta um esquema ilustrado a situação física de solidificação de um

lingote mostrando o elemento de referência. A Figura 2.1b mostra em detalhes os modos de

transferência de calor presentes na solidificação de um metal: condução térmica no metal e no

molde, a transferência newtoniana na interface metal/molde, convecção térmica no metal e no

meio ambiente e a radiação térmica do molde para o meio ambiente [GARCIA, 1978].

8

2.4.2 Parâmetros térmicos e o crescimento dendrític o.

A quebra do crescimento planar, pelo fenômeno de super-resfriamento constitucional

provoca o crescimento celular, que pode passar ao crescimento dendrítico com a

intensificação desse fenômeno. A Figura 2.2 ilustra tal fenômeno.

Do ponto de vista microscópico, o crescimento de um ramo dendrítico pode ser visto

como um processo de solidificação direcional. Em tal processo, o crescimento desse ramo

gera um sólido com composição diferenciada da composição na região interdendrítica,

levando ao fenômeno de microssegregação. Este tipo de redistribuição de soluto é observado

em diversos produtos, incluindo os fundidos e caracteriza-se por ter natureza elíptica,

localizada e de curto alcance. A Figura 2.3 mostra um ramo celular ou dendrítico em

crescimento onde se destaca um elemento de volume exibindo a solidificação direcional.

Figura 2.1 – Processo de solidificação. (a) Elemento de referência do sistema metal/molde (b) Mecanismos de transferência de calor no molde [GARCIA, 1978].

9

Figura 2.2 - Evolução da morfologia interfacial com o aumento da taxa de solidificação. (V1<V2<V3<V4<V5<V6<V7<V8) [JAIME, 2002].

Figura 2.3 – Microssegregação em torno de ramos celular e dendríticos: (a) vista longitudinal; (b) vista transversal e (c) redistribuição de soluto durante a solidificação [JAIME, 2002].

10

A redistribuição de soluto ocorre à medida que a superfície dos ramos celular e

dendrítico exibem um deslocamento próximo ao de uma solidificação direcional.

Como a estrutura dentrítica tem caráter cíclico bastante evidente, a composição de um

fundido exibe perfis de distribuição de soluto marcadamente cíclico, resultado direto da

segregação de soluto em torno dos braços dendríticos [ALVES,1994]. Essa distribuição de

soluto afeta diretamente as propriedades do produto final, principalmente aquelas associadas

ao comportamento mecânico. Uma estrutura dentrítica é constituída por ramos de diversas

ordens, formando uma rede complexa e tridimensional. A Figura 2.4 exibe uma estrutura

dendrítica onde é possível identificar os espaçamentos dendríticos primários, secundários e

terciários.

Nesse arranjo, o espaço entre ramos pode ser preenchido por eutéticas ou fases

intermetálicas. Assim em um fundido não é raro encontrar ramos dendríticos, constituídos por

fases primarias, envolvendo estruturas eutéticas ou outras fases de características não

desejáveis. Esse aprisionamento que os braços dendríticos desempenham pode ser tornar

benefício no tocante as propriedades mecânicas do material [GRUGEL, 1993]. Em geral, à

medida que as dimensões da estruturas dendrítica são reduzidas, obtêm-se a otimização do

comportamento mecânico do produto solidificado.

Em um crescimento dendrítico, a direção de extração de calor desempenha papel de

fundamental importância. A direção de crescimento dos ramos será função da direção do

fluxo de calor e seguirão algumas direções cristalografias preferências. No caso de cristais

cúbicos, a família de direções preferenciais refere-se a família <100>[FLEMINGS, 1994].

Figura 2.4 – Espaçamentos dentríticos primários, secundários e terciários [ALVES, 1994].

11

2.4.3 Parâmetros térmicos na solidificação.

Nos processos de solidificação, as características mecânicas da peça vão ser fortemente

influenciadas pela macroestrutura de solidificação que pode ser correlacionada com os

parâmetros térmicos de solidificação que são: a velocidade de solidificação (Vs), os gradientes

térmicos existentes no metal líquido (GTL) e as taxas de resfriamento (o

T ).

A determinação desses parâmetros através de métodos numéricos é consideravelmente

complexa devido, principalmente, à contínua geração de calor latente na interface

sólido/líquido e pelo movimento dessa fronteira, o que torna o problema não linear. Além

disso, existem as complicações ocasionadas pela interface metal/molde, onde surge uma

resistência à transferência de calor [SANTOS, 1997, ROCHA, 2003A, 2003B; SÁ, 2004]. São

comumente utilizados métodos experimentais para determinar esses parâmetros e,

consequentemente, desenvolver e aferir modelos matemáticos para representar o mais

fielmente possível a realidade.

Porém, apesar dos experimentos resumirem-se na medição da temperatura em diferentes

pontos durante o processo de solidificação, há algumas limitações técnicas, principalmente

para metais com alto ponto de fusão.

Na solidificação em regime estacionário, os valores de VS e GTL são controlados

independentemente e condições operacionais artificiais podem ser reproduzidas para

estabilizar a interface planar. Por outro lado, em condições transitórias de extração de calor,

esses parâmetros térmicos são interdependentes, ou seja, não podem ser controlados e variam

continuamente ao longo do processo [DA SILVA, 2006].

2.4.3.1 Velocidade de solidificação.

A velocidade de solidificação refere-se ao deslocamento da interface sólido/líquido com

relação ao tempo. Na obtenção experimental da função P=f(tSL), em um processo de

solidificação unidirecional, a velocidade do deslocamento da interface sólido/líquido é

determinada através da derivada dessa função, Eq. (2.1). Ao longo do processo de

solidificação transiente ocorre a diminuição de VS para as posições mais afastadas da

superfície de extração de calor. Tal fato pode ser explicado em função do crescente aumento

12

da resistência térmica da camada solidificada com a evolução do processo de solidificação

[DA SILVA, 2006].

(2.1)

onde: VS = Velocidade da frente de solidificação [mm/s],

dP = Deslocamento da frente de solidificação [mm],

dtSL = Intervalo de tempo em que a frente de solidificação se deslocou [s].

2.4.3.2 Gradientes térmicos.

O gradiente térmico de solidificação é a diferença de temperatura que existe entre a

interface já solidificada e o metal líquido logo a frente dessa interface. Em processos de

solidificação unidirecional a existência de elevados gradientes térmicos favorece a formão de

grão colunares [GARCIA, 2001]. Sua determinação experimental pode ser feita através da

diferença de temperatura, entre dois determinados pontos, relacionada com a distância desses

pontos, de acordo com a Eq. (2.2) Assim como na velocidade, os gradientes térmicos na frente

de solidificação vão reduzindo para posições mais afastadas da superfície de extração de

calor.

(2.2)

onde: GTL = Gradiente térmico local [ºC/mm],

dT = Variação de temperatura [ºC],

dP = Diferença de posição [mm],

K = Condutividade térmica [W/m.K].

13

2.4.3.3 Taxas de resfriamento.

A taxa de solidificação remete a diminuição da temperatura em função do tempo, ou

seja, quanto calor está sendo extraído da peça em um determinado instante do processo de

solidificação. Ela pode ser determinada pelo produto da velocidade de solidificação com o

gradiente térmico local, Eq. (2.3) [GARCIA, 2001].

(2.3)

onde:

οT = Taxa de resfriamento [ºC/s].

Essa expressão permite calcular as taxas de resfriamento no instante de solidificação

para cada posição P a partir da superfície da peça [GARCIA, 2001].

14

3 Materiais e métodos.

O material utilizado neste trabalho foi a liga de AA3003-4,5%Mg. Este material foi

doado pela (CBA) Companhia Brasileira de Alumínio em forma de lingotes.

Para realização dos experimentos foi utilizado o laboratório de Fundição e Tratamento

Térmico e Laboratório de Diamante da Universidade São Francisco (USF – Itatiba/SP), que

por sua vez possui todos os equipamentos necessários para realização dos trabalhos.

3.1 Montagem da casca .

Nestes experimentos são utilizadas cascas cerâmicas à base de zirconita. Para a

aquisição dos dados térmicos devem ser introduzidos termopares acoplados à placa de

aquisição de dados. Com a casca já furada foi feita a instrumentação com os termopares do

tipo K, casca de cerâmica com 40 mm de diâmetro e 300 mm de altura, conforme a figura

3.1a, 3.1b e 3.1c.

Os termopares apresentados na Figura 3.1 são do tipo K de isolação mineral na forma

de capilares de 1,5mm, compostos de fios de 0,28 mm de diâmetro de (cromel/alumel), que

são envolvidos por um tubo de inconel (bainha) com 1,5mm de diâmetro externo. Estes fios

são envolvidos e ao mesmo tempo separados por uma camada de pó isolante de óxido de

magnésio [Ecil, 1992].

15

A escolha desse tipo de termopar deveu-se ao fato da grande faixa de utilização de

temperaturas (0 a 1260°C), que permitiu sua utilização para essa liga a ser estudada.

Figura 3.1a – Esquema do posicionamento dos termopares e coquilha acoplada na parte inferior da casca cerâmica.

16

Figura 3.1b - Foto lateral da casca instrumentada

Figura 3.1c - Foto da vista superior.

3.1.1 Refusão.

Para cada experimento foram refundidos 956 gramas da liga AA3003 e 44,4 gramas de

Mg em um forno de resistência elétrica, a temperatura de 800°C, conforme apresenta a Figura

3.2.

Figura 3.2 – Forno de resistência elétrica utilizada para refundir a liga de AA3003.

17

3.1.2 Vazamento.

Depois de refundida a liga foi vazada em um moldes cerâmicos à base de zirconita

com 40mm de diâmetro e 300mm de altura, colocado dentro de um dispositivo para obtenção

de solidificação direcional (SD) de ligas não-ferrosas, projetado e construído na Universidade

São Francisco (Campus Itatiba – SP). [PEREIRA E MELO, 2008]. A temperatura de

vazamento da liga foi de 800ºC, e a temperatura do dispositivo a 850ºC, as Figuras 3.3 e 3.4,

demonstram o dispositivo de solidificação. O resfriamento da amostra foi com coquilha de

cobre refrigerada à água com vazão de 17 l/min, conforme Figuras 3.5 e 3.6.

Figura 3.3 – Dispositivo (forno) para obtenção de SD de ligas não-ferrosas.

Figura 3.4 – Instrumentação do dispositivo direcional com a casca.

Figura 3.5 – Coquilha de cobre [PEREIRA 2007].

Figura 3.6 – Dispositivo SD montado com coquilha de cobre e casca de cerâmica [PEREIRA, 2007].

18

3.1.3 Vazamento do metal liquido.

A liga depois de fundida foi vazada em moldes cerâmicos à base de zirconita com 40

mm de diâmetro e 300 mm de altura. A temperatura de vazamento foi de 800ºC Figura 3.7.

Figura 3.7 – Aquecimento da casca com o dispositivo e vazamento da liga AA3003.

3.1.4 Aquisição dos dados.

Durante toda a solidificação foi utilizado para obtenção dos perfis térmicos um sistema

computadorizado de aquisição de dados térmicos, que possui 16 canais de entrada e em cada

canal é ligado um termopar. Os termopares conectados são do tipo K e inseridos em diferentes

posições da casca cerâmica, e registraram as temperaturas durante todo o processo de

solidificação, conforme a Figura 3.8.

19

Figura 3.8 – Micro computador aclopado a uma placa de aquisição de dados.

O termopar quando submetido a uma dada temperatura gera uma diferença de

potencial (ddp) da ordem de (mV). Como esta (ddp) é muito baixa este sinal elétrico deve ser

amplificado para que possa ser convertido A/D, então um amplificador recebe este sinal e o

amplifica na ordem de 100 vezes (x100), ou seja, um sinal de 20mV após a saída do

amplificador é de 0,2V.

Este sinal de 0,2V é então enviado à placa que o converte de analógico para digital

Desta forma ele pode ser então representado em uma escala de temperatura envidado a um

gráfico display.

Para registro da evolução das temperaturas medidas obtidas pelos termopares, foi

utilizado um programa de aquisição de dados que controla um sistema constituído de uma

placa de aquisição de dados com 16 canais de entrada e um microcomputador [PEREIRA,

2007].

A Figura 3.9 demonstra a o esquema (fluxograma) do sistema de aquisição de dados

[PEREIRA, 2007].

20

Figura 3.9 – Esquema do sistema de aquisição de dados [PEREIRA, 2007].

Para os experimentos com a liga de alumínio, buscou-se alterar as posições dos

termopares, sendo analisados 3 condições diferentes, conforme a Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Distância em (mm) do posicionamento de cada termopar.

Termopares Amostra 1 – Distância em (mm)

Amostra 2 – Distância em (mm)

Amostra 3 – Distância em (mm)

01 0.8 0.5 0,5 02 12.0 22.0 20,0 03 48.5 60.0 48,0 04 91.5 108 78,0 05 118.02 144.4 90,0 06 132.9 177.8 120,0

Após a aquisição dos perfis de temperatura para diferentes posições a partir da

interface metal/ coquilha foi possível determinar os parâmetros térmicos relevantes do

processo de solidificação, gradiente da frente liquidus, velocidade da frente de solidificação,

tempo local de solidificação e taxa de resfriamento.

21

3.1.5 Corte; Embutimento; Lixamento e Ataque Químic o.

Nesse procedimento foram feitos os devidos cortes longitudinal e transversal, sendo

que para isso foram utilizaremos os seguintes equipamentos disponibilizados na laboratório

de Metalografia e Microscopia da Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas da

Universidade São Francisco.

Foram utilizados para nesta etapa os seguintes equipamentos:

• Cortadeira AROTEC COR-40.

• Máquina de embutir AROTEC BEM- 30.

• Máquina de rebarbar AROTEC ALC-2.

• Lixadeira PANAMBRA DP-10.

• Politriz AROTEC APL-4D.

• Microscópio óptico Olympus BH2-UMA

Após o corte longitudinal, a peça foi cortada em pedaços menores no sentido

transversal à direção de extração de calor, sendo necessário fazer o embutimento das

amostras para facilitar o seu manuseio Figura 3.10.

Figura 3.10 – Apresentação esquemática das regiões dos corpos de prova de onde foram retiradas as amostras para ataque metalografico (a) macrografias e (b) micrografias longitudinal e transversal [MELO, 1997].

22

Na preparação das amostras, estas foram lixadas com lixas de várias granas

diferentes, sempre das lixas mais grossas para as mais finas e alternando o sentido do

lixamento para atenuar as linhas ou ranhuras.

Iniciada pela lixa com granas 220 / 320 / 400 / 600 e 1200. Esse período de

lixamento não tem tempo estipulado, sendo desejável a troca da lixa quando não são

observados defeitos aparentes.

Depois do lixamento passou-se para o polimento. Esse processo pode demorar mais

devido a amostra dever ficar praticamente um espelho, sem nenhuma mancha ou risco.

3.1.6 Ataque químico.

Após feita a preparação das amostras foi realizado o ataque químico, de acordo com

da norma ASTM – 407. Foi utilizado o reagente Keller modifificado, constituído de 1,0 ml

HF; 15,0 ml HCL; 25,0 ml HNO3 e 50 ml H2O.

As amostras foram mergulhadas no reagente por 10 a 20 segundos. A cada ataque as

amostras foram lavadas com água corrente e álcool para secagem.

23

4 Resultados e discussões.

4.1 Análise do experimento proposto.

A liga AA3003 foi usada como modelo desse trabalho, é uma das ligas menos

estudadas até o presente momento, e não apresenta um modo de solidificação bem

documentado.

Foram realizados 3 três experimentos, sendo que todos foram aproveitados

completamente, embora tenham ocorrido falhas em alguns pontos dos termopares, mas que

não comprometeram os resultados obtidos. Nas Figuras 4.1, 4.2 e 4.3, são apresentados

resultados da aquisição de temperaturas, para diferentes pontos do metal, para as três

experiências distintas. A comparação destes resultados apresentaram boa repetibilidades.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

Ensaio 1 - USF

Termopar n°1 Termopar n°2 Termopar n°3 Termopar n°4 Termopar n°5 Termopar n°6

Liga AA3003Solidificação direcional verticalCoquilha de cobe refrigeradaT

V=770°C

TL=660.452°C

Tem

pera

tura

[°C

]

Tempo [s]

Figura 4.1 – Curva de resfriamento experimental da liga AA3003-4,5%Mg utilizando sistemas de aquisição de dados e termopares tipo K em diferentes posições (Ensaio 1).

24

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500100

200

300

400

500

600

700

800

900


V=813°C

TL=660.452°C

Ensaio 2 - USF

Termopar n°1 Termopar n°2 Termopar n°3 Termopar n°4 Termopar n°5

Tem

pera

tura

[°C

]

Tempo [s]


25

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400100

200

300

400

500

600

700

800

900


V=810°C

TL=660.452°C

Ensaio 3 - USF termopar n°1 termopar n°2 termopar n°3 termopar n°4 termopar n°5 termopar n°6

Tem

pera

tura

[°C

]

Tempo [s]


As figuras 4.1, 4.2 e 4.3 mostram claramente a evolução dos perfis térmicos de

temperaturas obtidos durante os experimentos. No primeiro experimento ocorreu um

problema de ruído na linha e foram perdidos vários pontos iniciais, prejudicando a clareza dos

resultados, mas pode-se observar que nos ensaios 2 e 3 a queda de temperatura foi iniciada

logo após os 200 segundos, sendo que a comparação destes resultados apresentados são

confiáveis.

Para verificação da taxa de resfriamento dos ensaios de solidificação direcional do

processo, foi obtida através da seguinte forma [Pan, Lin e Loper Jr., Suri et al., 1992;

Lauent e Rigaut, 1992; Huang e Berry, 199; Suri et., 1994].

( )sC

t

TT

t

TR

local

eutliq °∆

−=

∆∆= exp

expexp (3.1)

Onde = expR = taxa de resfriamento experimental, em ºC/s

T∆ = variação de temperatura na zona pastosa, em ºC.

26

exp∆ localT = intervalo de tempo entre a passagem da temperatura liquidus )( liqT e

temperatura eutética )( eutT em uma determinada posição, em segundos.

Nas figuras 4.4, 4.5 e 4.6, são apresentadas, as 3 três variações de temperatura com o

tempo, obtidas através do sistema de aquisição de dados. Observa – se a variação de

temperatura neste intervalo, levando a uma precisão razoável na determinação dessas taxas

de resfriamento experimentais.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660

0.00080 [m] 0.01200 [m] 0.04850 [m] 0.09150 [m] 0.11802 [m] 0.13290 [m]

Ensaio 1 - USF

Liga AL3003Solidificação direcional verticalCoquilha de cobe refrigeradaTV=800°CTL=660.452°C

Tem

pera

tura

[ºC

]

Tempo [s]

Figura 4.4 – Perfis entres as linhas de temperaturas da liquidus e solidus, que está entre 550ºC a 660ºC (Ensaio 1).

27

0 200 400 600 800 1000 1200550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660


Ensaio 2 - USF

0.0005 [m] 0.0220 [m] 0.0600 [m] 0.1080 [m] 0.1444 [m]

Tem

pera

tura

[°C

]

Tempo [s]


28

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400550

560

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660


Ensaio 3 - USF 0,0005 [m] 0,0200 [m] 0,0480 [m] 0,0780 [m] 0,0900 [m] 0,1200 [m]

Tem

pera

tura

[°C

]

Tempo [s]


A variação dos perfis de temperatura dentro da zona pastosa para as condições de

extração de calor analisadas entre a linha liquidus e solidus, nos permite concluir que: Para o

ensaio 1 a solidificação levou em torno de 800s da passagem do primeiro até o último

termopar, para o ensaio 2 em torno de 500s, para o ensaio 3 em torno de 1050s.

Na analise das Figuras 4.4, 4.5 e 4.6, para a determinação da taxa de resfriamento,

pode não ser o mais indicado, sendo que em certos casos os perfis térmico não são lineares.

Na figura 4.7a estão plotadas as taxas de resfriamento para os três experimentos, e na

Figura 4.7b uma comparação com outros autores que utilizaram coquilha de cobre refrigerada

e outros que não utilizaram, o equipamento que foi utilizado (dispositivo de solidificação

direcional) permitiu a obtenção das taxas de resfriamento.

29

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0,1

1

10

Taxa

de

Res

friam

ento

Exp

erim

enta

l (ºC

/s)

Distância da coquilha (m)

ENSAIO 1 ENSAIO 2 ENSAIO 3

Figura 4.7a – Taxas de resfriamento experimental para diferentes ensaios realizados de solidificação direcional com a liga Al3003 4,5%Mg.

30

Figura 4.7b – Taxas de resfriamento experimental para diferentes ensaios realizados de solidificação direcional com a liga Al-4,5%Cu, comparadas com taxas de experimentos semelhantes. a esquerda [Melo, 1996], a direita outros pesquisadores.

Na Figura 4.7a, observam-se as taxas para os experimentos em tela, demonstrando

reprodutibilidade dos ensaios realizados e a figura 4.8b demonstra outros experimentos feitos

por outros pesquisadores.

O dispositivo empregado nos ensaios realizados permite a obtenção de uma ampla

faixa de taxas de resfriamento. Essas taxas de resfriamento são semelhantes às encontradas na

literatura, como por [ANAYALELECHI ET AL., 1991; FANG E GRANGER, 1989; EMADI

E GRUZLESKI, 1994].

31

4.2 Macrografia .

As estruturas de solidificação podem ser subdivididas em: macroestruturas e

microestruturas, como podem ser observadas na ilustração esquemática da Figura 4.8. Torna –

se importante salientar que denominam-se macroestruturas, as formações morfológicas

estruturais que são observadas e avaliadas a olho nu, ou com auxílio do aumento óptico em

até de 10 vezes.[GARCIA, 2001]

Figura 4.8 - Ilustração esquemática das estruturas macroscópicas de um lingote fundido com transição colunar/equiaxial. [GARCIA, 2001]

4.3 Formação da microestrutura .

A formação da microestrutura depende das condições térmicas e constitucionais na

interface sólido/líquido durante a solidificação.

Uma estrutura dendritica é constituída pôr ramos de diversas ordens, formando uma

rede complexa e tridimensional conforme a Figura 4.9.

A direção de crescimento do ramos é função da direção do fluxo de calor e segue

algumas direções cristalográficas preferenciais [FLEMINGS, 1974].

32

Figura 4.9 – Direções de crescimento esquemáticas: morfologia celular (A) , morfologia de transição celular a dendrítica (B) e morfologia dendrítica (C), onde a direção de crescimento é definida por fatores cristalográficos. [FLEMINGS, 1974].

As Figuras 4.10, 4.11 e 4.12 mostram os resultados obtidos nas macrografias dos

experimentos realizados. As 3 amostras, com o dispositivo de solidificação direcional,

apresentaram grãos colunares em toda extensão da peça.

Os pontos que estão na face da peça, representam onde os termopares foram

posicionados.

33

Figura 4.10 – Macrografias da liga AA3003 obtida através do dispositivo para obtenção de solidificação direcional construído na USF. Ataque Keller. Aumento real. (Ensaio1).

34

Figura 4.11 – Macrografias da liga AA3003 obtida através do dispositivo para obtenção de solidificação direcional construído na USF. Ataque Keller Aumento real. (Ensaio 2).

35

Figura 4.12 - Macrografias da liga AA3003 obtida através do dispositivo para obtenção de solidificação direcional construído na USF. Ataque Keller Aumento real. (Ensaio 3).

36

4.4 Parâmetros térmicos de solidificação .

Na determinação experimental dos parâmetros gradiente térmico da frente liquidus e

da velocidade de avanço desta frente, empregaram – se as seguintes equações, (Pan, Lin e

LoperJr., 1990 Suri et al., 1994 Lourent e Rigaut, 1992):

x

iliqTi

liqTG

∆

−+=

1

exp (3.3)

Onde: 1+iliqT = Temperatura de termopar subseqüente 1+i no mesmo instante, ºC

iliqT = Temperatura liquidus numa posição i, ºC

x∆ = Distância entre dois termopares, m.

E a velocidade da frente liquidus, foi determinada através da equação:

iliqTi

liqT

xV

−+∆=1exp (3.4)

Onde: 1+iliqT = tempo decorrido até a passagem da isoterma liquidus numa posição i, em s.

iliqT = tempo decorrido até a passagem da isoterma liquidus no termopar seguinte, em s.

O tempo local de solidificação (localt ) que é definido como sendo o tempo entre a

passagem da isoterma liquidus e a isoterma solidus, ou seja, o intervalo de tempo entre a

passagem da ponta e a raiz da dendritica, para o caso de solidificação direcional, pode ser

simplificado para:

solVGsolTliqT

RT

localt .−=∆= (3.5)

37

Onde: T∆ = diferença de temperatura na zona pastosa, em ºC

R = taxa de resfriamento, em ºC/s

G = gradiente de temperatura na zona pastosa, em ºC/m

solV = velocidade de frente solidus, em m/s

A Figura 4.13 apresenta um comparativo entre as velocidades da frente de

solidificação em função da distância da coquilha, durante a solidificação Ensaio 1, 2 e 3.

Figura 4.13 – Velocidade da frente de solidificação em função da distância da coquilha.

A partir da curva de resfriamento corresponde de cada um dos termopares pode ser

obtida a curva de variação de velocidade de avanço da isoterma liquidus em função da

posição.

Para tanto se marca um intervalo de tempo [t`] para o qual a isoterma liquidus passou

na posição correspondente a um determinado termopar e o intervalo do tempo [t”] para o qual

ela passou na posição correspondente ao termopar seguinte. Dividindo – se a distância entre

38

os dois termopares [∆x] pela diferente entre os dois intervalos de tempo obtém – se a

velocidade média de avanço [Vexp] [GARCIA,2001].

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16

100

1000

10000

Gra

dien

te d

a fre

nte

liqui

dus

(°C/m

)

Distância da coquilha em (m)

Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3

Figura 4.14 – Gradiente da frente liquidus em função da distância da coquilha.

Nota–se na figura 4.14 que as medidas dos gradientes térmicos são as mais instáveis.

Isso se deve à instabilidade dos termopares

A figura 4.15 apresenta um comparativo entre as temperaturas locais de solidificação

em função da distância da coquilha, obtidos durante a solidificação direcional das condições

(Ensaio 1, 2 e 3)

39

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16

10

100

1000

Tem

po lo

cal d

e so

lidifi

caçã

o (s

)

Distância da coquilha (m)

Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3

Figura 4.15 – Tempo local de solidificação em função da distância da coquilha.

Sabe-se que o tempo local de solidificação é a diferença de temperatura ou intervalo

de solidificação entre a linha liquidus e solidus, em [°C], então pode-se concluir o tempo local

de solidificação é o tempo que a solidificação leva da linha liquidus até a solidus sendo

inversamente proporcional à taxa de resfriamento.

40

4.5 Modo de solidificação da liga de Alumínio.

Para o estudo da solidificação em função da composição química das ligas, é utilizado

na metalurgia um gráfico chamado de diagrama de equilíbrio.

No diagrama de equilíbrio apresentado na Figura 4.16, a linha liquidus mostra que,

acima desta temperatura, a liga está completamente líquida e os elementos coexistem em um

solução líquida homogênea completamente ao acaso. A linha solidus mostra que a liga está

completamente sólida abaixo desta temperatura. Entre a linha liquidus e a linha solidus existe

uma região onde a liga passa durante a solidificação, pelos estados semi-liquido e semi-sólido,

ocorrendo os fenômenos de nucleação e crescimento dos grãos dendríticos.

A figura 4.17 apresenta o diagrama de equilíbrio da liga Al – Mg.

Figura 4.16 – Diagrama de equilíbrio para ligas de alumínio [ASM, 1988].

41

Figura 4.17 – Diagrama de equilíbrio do sistema Al-Mg (Metals Handbook, 1973).

4.6 Caracterização das microestruturas .

As Figuras 4.18 a 4.29 apresentam as micrografias das amostras solidificadas

unidirecionalmente para os ensaios 1 e ensaio 2, com corte longitudinal e transversal

mostrando a variação dos grãos dendriticos e interdendriticos com relação à distância da

coquilha.

42

Distante 10mm da interface metal/coquilha


Figura 4.18-Amostra (Longitudinal). Figura 4.19-Amostra (Transversal).

FIGURA 4.18 e 4.19 – Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.



Figura 4.20 –Amostra (Longitudinal). Figura 4.21 -Amostra (Transversal).

FIGURA 4.20 e 4.21 – Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.


Distante 80mm da interface metal/coquilha Figura 4.22 – Amostra (Longitudinal). Figura 4.23 – Amostra (Transversal). FIGURA 4.22 e 4.23 Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.

43



Figura 4.24 –Amostra (Longitudinal), Figura 4.25 – Amostra (Transversal), FIGURA 4.24 e 4.25 – Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.

Distante 108 mm da interface metal/coquilha


Figura 4.26 –Amostra (Longitudinal). Figura 4.27 – Amostra (Transversal). FIGURA 4.26 e 4.27 – Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.



Figura 4.28 – Amostra (Longitudinal). Figura 4.29 – Amostra (Transversal). FIGURA 4.28 e 4.29 – Micrografias da liga AA-4,5%Mg solidificada unidirecionalmente, cortes transversal e longitudinal mostrando a variação dos espaçamentos interdendríticos secundários e primários com a distância da coquilha de cobre refrigerada. Ataque Keller.

44

Observa-se que ocorreram alterações nos espaçamentos interdendriticos, onde pode –

se concluir que quando a extração de calor for maior mais próximo da coquilha, a tendência e

ter grãos mais refinados ou seja (grãos menores), quando a extração de calor for menor mais

distante da coquilha, terá grãos mais grosseiros (grãos maiores).

45

5 Conclusão.

Foi possível obter estrutura colunar em todas as condições utilizadas, havendo

variação na extensão em que essa estrutura se formou. A obtenção desse tipo de estrutura, que

era a desejada inicialmente, comprova que o equipamento montado foi eficiente e há

possibilidade de sua utilização em trabalhos futuros. A estrutura colunar foi revelada através

de técnicas de macrografia que se mostraram adequadas, permitindo boa visualização da

estrutura da amostra.

A análise macroestutural das amostras solidificadas direcionalmente apresentou

claramente três regiões em função da microestrutura formada: grãos colunares refinados,

grãos colunares grosseiros e grãos equiaxiais (região onde já não há mais direcionalidade).

Foram obtidos os perfis térmicos e também alguns parâmetros térmicos relevantes, que

são: gradiente térmico, velocidade da frente liquidus, tempo local de solidificação e taxa de

resfriamento. Considera-se que a determinação desses valores é importante por dois motivos.

Em primeiro lugar, tem-se que os parâmetros térmicos podem ser usados na solidificação

direcional da liga de alumínio utilizada neste trabalho. Em segundo lugar, numa visão mais

ampla do que foi realizado, tem-se que o estudo, aplicação e apresentação da metodologia

utilizada pode servir como referência a outros trabalhos que tenham como objetivo a

determinação dos parâmetros térmicos de outras ligas.

As análises microestruturais mostram que houve variação na microestrutura em função

da distância com relação à coquilha, ou seja, da diminuição da taxa de resfriamento. Quanto

mais distante da coquilha, maior é o espaçamento dendrítico. Considera-se que é importante

que a análise microestrutural seja feita de forma mais aprofundada, o que pode ser feito

dispondo-se de mais tempo.

Também é importante salientar que o autor desse trabalho participou de todas as etapas,

tanto práticas quanto teóricas. O trabalho foi relativamente complexo e envolveu confecção de

amostras, análises macro e microestruturais, obtenção de diversos parâmetros e análise dos

resultados obtidos. A participação nessas atividades foi importante para o aprendizado e para

fixação de conhecimentos adquiridos durante o curso de Engenharia.

46

6 Sugestões para próximos trabalhos .

Medir propriedades mecânicas, impacto e tração da liga estudada.

Medir porosidades da liga estudado, devido terá influência direta nas propriedades.

Estudar as precipitadas e as fases secundarias no mev.

47

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