universidade federal do parÁ instituto de tecnologia … · 2021. 2. 5. · aos meus pais,...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL

MARCOS BRABO DA SILVA

INTERRELAÇÃO ENTRE PARÂMETROS TÉRMICOS, ESPAÇAMENTOS

DENDRÍTICOS TERCIÁRIOSE MICRODUREZA DA LIGA Al-3%Cu-5,5%Si

SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE

BELÉM

2015

MARCOS BRABO DA SILVA

INTERRELAÇÃO ENTRE PARÂMETROS TÉRMICOS, ESPAÇAMENTOS

DENDRÍTICOS TERCIÁRIOS E MICRODUREZA DA LIGA Al-3%Cu-5,5%Si

SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Industrial do Instituto de

Tecnologia da Universidade Federal do Pará, como

requisito para a obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Industrial na Área de Materiais e

Processos de Fabricação. Orientador: Prof. Dr.

Otávio Fernandes LimadaRocha.

BELÉM

2015

Dedico estetrabalho com imensa gratidão e respeito aos meus pais,

Lourival Gonçalves da Silva e Deuza Brabo da Silva, que me

deram a vida e me ensinaram a vivê-la com dignidade.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus queme deu força e resignação para vencer todos os obstáculos.

Aos meus pais, Lourival Gonçalves da Silva e Deuza Brabo da Silva, por

acreditaremem meu potencial e sempre terem a certezade que, apesardas dificuldades, este

momento se tornaria possível.

A minha esposa,Cilene Cristina Lopes da silva e as minhas filhas, Samara Cristina

Lopes da Silva e Camila Cristina Lopes da Silva, que sempre me incentivaram e me ajudaram

a superar as dificuldades.

Aos meus amigos domestrado, por compartilhar diversos momentos ao longo

destajornada, que levarei para toda vida, dos quais convêm citar Emilio, Henrique, Paulo,

Eugenio, Araújo, Celso, Robson, Wladimir e Brito.

Ao professor Otavio Rocha, pela grande dedicação e confiança bem como por suas

orientações e incentivo.

Ao Rafael Kikuchi, caro amigo, e ao aluno André Barros, que contribuíram ativamente

na realização deste trabalho.

Ao professor Daniel Moutinho, pelas orientações no desenvolvimento dos resultados

deste trabalho.

Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial da UFPA, pela oportunidade

de participar do programa de mestrado e concluí-lo com sucesso.

Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará, pela estrutura

fornecidapara realização dos experimentos.

A todos aqueles que contribuíram, mesmo que indiretamente, para a realização deste

trabalho.

Determinação, coragem e autoconfiança são fatores decisivos para

o sucesso. Se estamos possuídos por uma inabalável determinação

conseguiremos superá-los. Independentemente das circunstâncias

devemos ser sempre humildes, recatados e despido de orgulho.

DalaiLama

RESUMO

O sistema de liga Al-Cu-Si é de grande importância para a indústria de fundição. Ligas Al-Cu-

Sisão utilizadas em muitas aplicações estruturais que requerem uma alta resistência a baixo

peso, alta resistência e tenacidade ao impacto, baixo coeficiente de expansão térmica e boa

resistência à corrosão. Neste estudo, objetivando analisar as relações entre os parâmetros

térmicos e os espaçamentos dendríticos terciários (λ3) a liga Al-3%Cu-5,5%Si foi solidificada

direcionalmente sob condições de fluxo de calor transitório em um dispositivo de

configuração horizontal. Velocidades de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxas de

resfriamento (TR) e tempos locais de solidificação (tLS) foram experimentalmente

determinados a partir das curvas de resfriamento registradas em diferentes posições do metal.

Amostras transversais foram retiradas de diferentes posições do lingote e a microestrutura foi

caracterizada por meio de microscopia ótica. Os resultados encontrados indicam que a

variação de λ3 pode ser expressa por meio de funções na forma de potência com VL, TR e tLS

dadas, respectivamente, por 3 = 11(VL)-1,1

, 3 = 44(TR)-0,55

e 3 = 2,2(tLS)0,55

. Uma análise

comparativa é realizada entre os resultados deste trabalho e aqueles apresentados na literatura

para a liga investigada, quando solidificada direcionalmente na configuração vertical

ascendente. A dependência de HV sobre 3 é definida por leis experimentais do tipo potência

e Hall-Petch, cujos resultados mostram que HV aumenta para menores 3. A adição de Si para

formação da liga Al-Cu-Si e a direção de crescimento da solidificação (horizontal ou vertical)

não afetaram as leis de crescimento de 3=f(VL, TR, tSL). Por outro lado, os resultados

mostram que o elemento Si incorporado a matriz eutética na formação das fases

Al(α)+Al2Cu+Si aumenta os valores de HV na liga ternária Al-Cu-Si investigada quando

comparada à liga binária Al-3%Cu da literatura.

Palavras-chave:Ligas Al-Cu-Si, Solidificação Direcional, Microestrutura Dendrítica.

ABSTRACT

Al–Cu–Si alloy system is of great importance in the die casting industry. It is known that Al-

Cu-Si alloys are used in many structural applications requiring strength with low weight, high

strength and impact resistance, low thermal expansion coefficient and good corrosion

resistance. In this work, in order to analyze the interconnection among solidification thermal

variables and tertiary dendrite arm spacing the Al-3wt.%Cu-5.5wt.%Si alloy was horizontally

directionally solidified under transient heat flow conditions. Tip growth rate (VL), cooling rate

(TR) and solidification local time (tLS) were experimentally determined by cooling curves

recorded during solidification process. Transverse samples were extracted from different

positions of the casting and analyzed by optical microscopy. It was observed that the tertiary

spacing variation can be expressed as power law functions of VL, TR and tLS given by 3 =

11(VL)-1.1

, 3 = 44(TR)-0.55

and 3 = 2.2(tLS)0.55

, respectively. A comparative analysis with other

studies published in the literature for the analyzed alloy solidified in upward vertical

directional condition was performed. The dependence of HV on 3 is defined by power and

Hall-Petch experimental laws, whose results show that the HV values increase withdecreasing

of 3. The addition of Si to form the Al-Cu-Si alloy and the solidification growth direction

(horizontal or vertical) did not affect the growth laws 3 = f (VL, TR, tSL). On the other hand,

the results show that addition of Si on Al eutectic matrix of the Al-Cu-Si alloy investigated,

forming the Al(α)+Si+Al2Cu-phase mixture, increases the HV values when compared to

binary Al-3wt.%Cu alloy of the literature.

Keywords:Al-Cu-Si alloys, Directional Solidification, Dendritic Microstructure.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1.1 - Fabricação de ProdutosMetálicos... ...................................................................... 17

Figura 1.2 -Morfologia da Interface decrescimento na solidificaçãode composto orgânico

CB4: (a)celular e (b e c)Estruturas Dendríticas ........................................................................ 18

Figura 1.3-Representação esquemática de uma microestrutura bruta de solidificação ............ 20

Figura 2.1 – Inter-relação de fenômenos durante a solidificação de um metal.........................23

Figura 2.2 - Modos de transferência de calor em um sistema de solidificação unidirecional

refrigerado a água......................................................................................................................25

Figura 2.3 - Dispositivo de solidificação vertical ascendente...................................................26

Figura2.4 - Dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente: (1) sistema de

aquisição de dados; (2) material refratário; (3) resistências elétricas; (4) lingoteira; (5)

termopares; (6) registrador de dados; (7) câmara refrigerada; (8) rotâmetro; (9) metal; (10)

controle do forno ...................................................................................................................... 27

Figura 2.5 - Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal .......................................... 28

Figura 2.6 - Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado a água.............29

Figura 2.7 -Representação esquemática da atuação dos fatores de influência na formação das

estruturas de solidificação: SRC-grau de super-resfriamento; GL-gradiente térmico à frente da

interface; VL-velocidade da interface; e CO-concentração de soluto ..................................... 30

Figura 2.8- Esquema representativo das ramificações interdendrítica primários (λ1),

secundários (λ2) e terciários (λ3)...............................................................................................31

Figura 2.9 - Indicação da região com super-resfriamento constitucional: (A) Perfil de

acumulação de soluto à frente da interface S/L; e (B) Perfil inverso de temperatura liquidus

correspondente à região super-resfriada constitucionalmente..................................................32

Figura 2.10 - Estrutura dendrítica metálica composta por três níveis de ramificações............33

Figura 2.11 -Avanço da interface difusa no processo de solidificação com super-

resfriamento..............................................................................................................................33

Figura 2.12 - Direções de crescimento esquemática: morfologia celular (A),morfologia de

transição celular a dendritica (B) e morfologia dendritica (C), onde a direção de crescimento é

definida por fatores cristalográficos.........................................................................................34

Figura 2.13 - Resultado experimental de Sá et al (2004) mostrando a lei de crescimentos de 3

em função de TR.......................................................................................................................37

Figura 2.14 -Resultados comparativos entre a relação de 1/3 obtida por Sá et al (2014).....38

Figura 2.15 -Leis experimentais de 3 = f(TR,tSL) para ligas Al-Cu obtidos por Rosa el al

(2006)........................................................................................................................................39

Figura 2.16- Leis experimentais de 3 = f(TR,tSL) para ligas Al-Cu obtidos por Rosa el al

(2006)........................................................................................................................................40

Figura 2.17- Lei experimental de 3 = f(TR) para ligas Al-Cu-Si obtida por Moutinho

(2012)........................................................................................................................................41

Figura 2.18- Lei experimental de 3 = f(TR) para ligas Al-Cu-Si obtida por Gomes (2012)..42

Figura 2.19- Geometria do indentador e da impressão Vickers..............................................45

Figura 3.1 - Fluxograma do procedimento experimental empregado neste trabalho...............50

Figura 3.2 - (a) Balança digital precisão de 0,01 mg; (b) Cadinho de carbeto de silício; (c)

Forno tipo mufla com temperatura de trabalho até 1250oC.....................................................52

Figura 3.3- Registro fotográfico do analisador químico (Espectrômetro Ótico) utilizado neste

trabalho.....................................................................................................................................53

Figura 3.4 - Diagrama de fase pseudo-binários em função de Silício (a), de Cobre (b)..........54

Figura 3.5 -Caminho de solidificação calculado pelo TermoCalc para condições fora do

equilíbrio...................................................................................................................................54

Figura 3.6-Esquema do conjunto de monitoramento da temperatura liquidus da liga analisada

..................................................................................................................................................55

Figura 3.7 - Termopar tipo K (a) e registrador de temperatura(b)............................................55

Figura 3.8 - (a) Representação do conjunto que compõe o dispositivo de solidificação

direcional horizontal utilizado neste trabalho: (10 termopares, (2) Controlador de temperatura,

(3) computador, (4) alimentação principal de água, (5) recipiente armazenador de água, (6)

bomba d’água, (7) rotâmetro, (8) entrada de água de refrigeração, (9) saída de água, (10)

dispositivo de solidificação direcional horizontal, (11) fidloger – registrador de temperatura,

(b) Vista lateral e interna do dispositivo: (12) isolamento com blindagem em cerâmica; (13)

resistências elétricas; (14) lingoteira.........................................................................................57

Figura 3.9 - Detalhes dimensionais da chapa molde (ou trocadora de calor) e lingoteira de aço

nox.............................................................................................................................................58

Figura 3.10 - Desenho esquemático do conjunto chapa de resfriamento e lingoteira...............59

Figura 3.11 - Registro fotográfico do interior da lingoteira, mostrando in loco detalhes das

resistências elétricas e o conjunto chapa molde e lingoteira.....................................................59

Figura 3.12 - Tela de inicialização do software de registro de temperaturas, e curvas

experimentais resultantes (a) e (b)Software Origin.................................................................60

Figura 3.13 - Perfil de temperatura indicando o tempo de passagem da isoterma liquidus......63

Figura 3.14 - Deslocamento da posição da isoterma liquidus em função do tempo.................64

Figura 3.15 - Representação esquemática da obtenção do gráfico das velocidades em função

do tempo e em função da posição.............................................................................................65

Figura 3.16 - Sequencia experimental para determinação das variáveis térmicas....................66

Figura 3.17 - Macroestrutura da ligaAl-3%Cu-5,5%Si ...........................................................67

Figura 3.18 - Representação esquemática ilustrando a localização de retirada dos corpos de

prova do lingote para análise metalográfica.............................................................................68

Figura 3.19 - Corpos de prova para análise microestrutural durante o embutimento a frio....68

Figura 3.20 - Registro fotográfico do analisador de imagem Olympus, modelo UC30,

instalado no Laboratório de Caracterização do IFPA................................................................69

Figura 3.21 - Técnica empregada para medição dos espaçamentos dendríticos terciários.......70

Figura 3.22 - Esquema representativo do método para realização do ensaio de

MicrodurezaVickers(HV)..........................................................................................................71

Figura 3.23 - Fotografia domicrodurômetro modelo Shimadzu HMV-2..................................71

Figura 4.1 - Representação esquemática evidenciando a presença e evolução de braços

dendríticos terciários.................................................................................................................72

Figura 4.2 - Curvas experimentais de resfriamento experimentais para seis posições de

termopares.................................................................................................................................73

Figura 4.3 - Posição da isotermasliquidus a partir da interface metal/molde em função do

tempo.........................................................................................................................................74

Figura 4.4 - Velocidades das isotermas liquidus a partir da interface metal/molde em função

da posição..................................................................................................................................75

Figura 4.5 - Taxas de resfriamento a partir da interface metal/molde em função da posição

para as ligas estudadas..............................................................................................................75

Figura 4.6 - Tempos locais de solidificação em função da posição a partir da interface

metal/molde...............................................................................................................................76

Figura 4.7 - Microestruturas dendríticas obtidas para as posições de 4, 8 4 20 mm a partir da

interface de resfriamento...........................................................................................................77

Figura 4.8 - Espaçamentos dendríticos terciários em função da posição a partir da interface

metal/molde...............................................................................................................................78

Figura 4.9 - Espaçamentos dendríticos secundários em função da velocidade de deslocamento

da isotermasliquidus..................................................................................................................78

Figura 4.10 - Espaçamentos dendríticos terciários em função da taxa de resfriamento..........79

Figura 4.11 -Espaçamentos dendríticos terciários em função do tempo local de

solidificação..............................................................................................................................79

Figura 4.12 - Influência da direção de crescimento do sólido nos espaçamentos dendríticos

terciários....................................................................................................................................81

Figura 4.13 - Resultado comparativo do efeito do Si nas leis de crescimento de 3 em função

de TR para as ligas Al-3%Cu-5,55Si e Al-3%Cu......................................................................82

Figura 4.14 - Representação esquemática do surgimento e crescimento dos braços

terciários....................................................................................................................................84

Figura 4.15 - Dependência da microdureza sobre a: (a) posição da isoterma liquidus, (b) 3 e

(c) 3-1/2

.....................................................................................................................................85

Figura 4.16- Resultados comparativos entre a evolução da microdureza deste trabalho e de

Brrroset al (2014).....................................................................................................................86

Figura 4.17 – Influência da direção de crescimento da solidificação nos valores de HV........87

Figura 4.18 -Miccrografias SEM da liga Al-3%Cu-5,5%Si estudada, obtidas nas posições 10 e

30mm em relação à base refrigerada......................................................................................88

Figura 4.19 - Micrografias SEM e comcorrespondentes micro-análises por espectrometria de

energia dispersiva (EDS)da liga Al-3%Cu-5,5%Si estudada, obtidas na posição 10mm em

relação à base refrigerada..........................................................................................................89

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Leis experimentais para previsão dos espaçamentos dendríticos terciários para

ligas binárias e multicomponentes de alumínio........................................................................43

Tabela 2.2 - Resultados experimentais deHV = f (VL, TR e 1) obtidas da literatura............46

Tabela 2.3 - Resultados experimentais de HV = f (2) obtidos da literatura............................47

Tabela 3.1 - Composição química (% em peso) dos metais utilizados na elaboração da liga Al-

3wt.%Cu-7wt.%Si....................................................................................................................51

Tabela 3.2 - Resultado da análise química quantitativa e qualitativa da liga Al-3%Cu-5,5%Si.

Padrão fornecido pelo analisador mostrado na Figura 3.2.......................................................53

Tabela 4.1 - Leis experimentais para previsão dos espaçamentos dendríticos terciários em

ligas dos sistemas Al-Cu e Al-Cu-Si solidificadas direcionalmente.........................................80

Tabela 4.2 - Leis experimentais para previsão dos espaçamentos dendríticos primários e

terciários em ligas dos sistemas Al-Cu e Al-Cu-Si solidificadas horizontalmente...................84

LISTA DE SÍMBOLOS

Letras Latinas

A Constante -

CL Calor específico na fase líquida [J/kg K]

CS Calor específico na fase sólida [J/kg K]

C0 Composição de soluto na liga [%]

C Constante que depende do tipo de liga -

DL Difusividade de soluto no líquido [m2/s]

dP Derivada da posição -

Dt Derivada do tempo -

Dt Derivada da temperatura -

dTR Derivada da taxa de resfriamento -

GL Gradiente de temperatura frente à isoterma liquidus [ºC/mm ]

M Constante -

N Constante -

P Posição dos termopares [mm]

H0 Constante

HV MicrodurezaVickers -

K Constante -

SRC Super-resfriamento constitucional -

R2

coeficiente de correlação de mínimos quadrados -

T Tempo [s]

tl tempo de passagem da isoterma liquidus [s]

T Temperatura [ºC]

TR Taxa de resfriamento [ºC/s]

TL Temperatura liquidus da liga [ºC]

TS Temperatura solidus da liga [ºC]

tSL Tempo Local de Solidificação [s]

TV Temperatura de vazamento da liga [ºC]

VL Velocidade da isoterma liquidus [mm/s]

Letras Gregas

λc Espaçamento celular [μm]

λ1 Espaçamentos dendríticos primários [μm]

λ2 Espaçamentos dendríticos secundários [μm]

λ3 Espaçamentos dendríticos terciários [μm]

Fator de correção do modelo [ε < 1]

T Diferença de temperatura [ºC]

t Diferença de tempo [s]

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 16

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................................................... 16

1.2 PARÂMETROS TÉRMICOS E MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO ........... 16

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................. 22

2.1 VARIÁVEIS TÉRMICAS DE SOLIDIFICAÇÃO ........................................................... 22

2.2 TIPOS DE DISPOSITIVOS PARA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL ................... 25

2.2.1 DISPOSITIVO PARA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL VERTICAL

ASCENDENTE ........................................................................................................................ 25

2.2.2 DISPOSITIVO PARA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL VERTICAL

DESCENDENTE ..................................................................................................................... 26

2.2.3 DISPOSITIVO PARA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL HORIZONTAL .......... 27

2.3 MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO ............................................................... 29

2.4 ESTRUTURA DENDRÍTICA ........................................................................................... 32

2.5 LEIS DE CRESCIMENTO DENDRÍTICO ....................................................................... 34

2.6. MICRODUREZA .............................................................................................................. 43

3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................. 49

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................................................... 49

3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NESTE TRABALHO ...................... 49

3.2.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ELABORAÇÃO DA LIGA....................... 49

3.2.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO

DIRECIONAL .......................................................................................................................... 55

3.3 METODOLOGIA ............................................................................................................... 61

3.3.1 OBTENÇÃO DA LIGA AL-CU-SI INVESTIGADA E LEVANTAMENTO DAS

CURVAS DE RESFRIAMENTO (ATUALIZADO A PARTIR DE CARVALHO, 2013). ... 61

3.3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAÇÃO DAS VARIÁVEIS

TÉRMICAS DE SOLIDIFICAÇÃO (VL E TR ) ADAPTADO A PARTIR DE DIAS FILHO

(2013) ....................................................................................................................................... 62

3.3.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO

DA MICROESTRUTURA (ADAPTADO DE CARVALHO, 2013) ..................................... 66

3.3.4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA O ENSAIO DE MICRODUREZA ...... 70

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................................... 72

4.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ......................................................................................... 72

4.2. CURVAS DE RESFRIAMENTO .................................................................................... 72

4.3. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS TÉRMICOS DE SOLIDIFICAÇÃO: VL, TR

E TSL. ........................................................................................................................................ 73

4.4 ANÁLISES DAS MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO .................................. 76

4.5 CORRELAÇÃO ENTRE VARIÁVIES TÉRMICAS E ESPAÇAMENTOS

DENDRÍTICOS TERCIÁRIOS ............................................................................................... 77

4.6 DETERMINAÇÃO E ANÁLISES DE EXPRESSÕES MATEMÁTICAS DE HV=F(3 E

3-1/2

) ......................................................................................................................................... 84

5 CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 90

6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................. 92

REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 93

16

1INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

O alumínio é produzido comercialmente há cerca de 150 anos e,neste curto período

sua indústria se expandiu e está presente nos grandes polos mundiais.É o mais importante dos

metais não ferrosos e está entre os mais consumidos atualmente. Seu rápido e notável

crescimento é resultante de sua versatilidade, que se deve às suas propriedades, com destaque

para seu baixo peso específico comparado com outros metais de grande consumo, resistência

à corrosão, baixo ponto de fusão, alta condutibilidade elétrica, e térmica, além de excelente

desempenho na maioria das aplicações (ABAL,2014).Estas características encontradas neste

material vêm motivando os pesquisadores a desenvolver ligas de alumínio em vários sistemas

e dezenas de composições. Neste sentido, destacamos as ligas do sistema ternário Al-Cu-Si da

série 319.1, que apresentam excelente fluidez, alta resistência mecânica e baixo peso, o que as

tornam uma escolha adequada como ligas de fundição (GOMES, 2012). Outro aspecto de

suma importância que desperta o interesse para o presente trabalho é a intensa procura pela

indústria automobilística e aeroespacial, por produtos baseados em ligas leves e,

principalmente em ligas de alto desempenho.

1.2 PARÂMETROS TÉRMICOS E MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

O processo de solidificação é aplicado em diversos campos da engenharia, tais como:

produção de gelo, congelamento de alimentos e solidificação de metais e ligas metálicas em

processos metalúrgicos de fundição(vazamento gravitacional,centrifugação,etc). Na

metalurgia este processo é de extrema importância já que, com exceção de peças

sinterizadas,todos os metais passam, em alguma etapa de seu processamento, por umprocesso

de fusão e solidificação seja na fabricação de peças fundidas em moldes com a forma

desejada, seja na produção de lingotes para posterior conformação (GARCIA, 2007).

Assim, conforme ilustrado na Figura 1.1, este processo representa a mais importante

alternativa para a fabricação de produtos metálicos acabados e semiacabados (GARCIA,

2007).

17

Figura 1.1 – Fabricação de produtos metálicos.

Fonte: Garcia (2007).

A solidificação se estabelece a partir do momento em que o material em condição

líquida alcança ao longo do resfriamento as condições termodinâmicas essenciais para a

mudança de fase líquida para sólida. Nessas circunstancias, ocorrendo um gradiente de

temperatura entre o material e o meio que dissipa o calor, o calor latente liberado é removido

por meio de um ou mais mecanismos de transferência de calor (CANTE,2009; SILVA, 2007;

MOUTINHO, 2012;GOMES, 2012;CARVALHO, 2013;COSTA, 2013;DIAS FILHO, 2012;

2013;DIAS FILHO et al., 2015; VASCONCELOSet al., 2014; GOMES, et al. 2015).

Os principais parâmetros afetados pelo processo de transferência de calor durante a

solidificação, sob o ponto de vista da fundição são as velocidades, taxas de resfriamento,

gradientes térmicos e, consequentemente, os tempos locais de solidificação, todos

determinados por mapeamento de perfis térmicos no metal e no molde. O conhecimento de

tais parâmetros é importante para o controle da estrutura final da peça, que influi diretamente

nas propriedades mecânicas e de fabricação, já que os mesmos afetam, por exemplo, no caso

de ligas metálicas, a redistribuição de soluto e, portanto, a morfologia da interface sólida

18

líquida, a qual definirá a microestrutura das mesmas que pode ser planar, celular e dendrítica,

sendo a dendrítica a mais encontrada nas ligas metálicas (ROCHA, 2003). Desse modo é

essencial, uma abordagem de alguns princípios básicos que envolvem o processo de

solidificação de materiais metálicos.

Pesquisas recentes (MOUTINHO, 2012; CRUZ, 2008; GARCIA, 2007; GOMES,

2012; MOUTINHO, 2012; DIAS FILHOS, 2013; CARVALHO, 2013) evidenciaram que

para o controle da solidificação há variáveis importantes como velocidade de solidificação

(VL), gradiente térmicos à frente da interface sólido/líquido (GL), taxa de resfriamento (TR),

grau de super-resfriamento constitucional (SRC) e concentração de soluto(Cₒ). Estas variáveis

térmicas podem ser correlacionadas com a forma da microestrutura apresentada e descrita

pela metalografias quantitativas, ótica e eletrônica. A Figura 1.2 mostra uma representação

das formas microestruturaistípicas de ligas metálicas: (a) Célula e (b e c) Dendritas, sendo que

os espaçamentos entre ramificações adjacentes.

Figura 1.2 - Morfologias da Interface de Crescimento na Solidificação de Composto Orgânico CB4: (a)

Celular e (b e c) Estruturas Dendrítica

Fonte: Adaptado de Garcia( 2001).

A técnica de solidificação unidirecional tem sido bastante utilizada no estudo

experimental do fenômeno da solidificação, esse estudo pode ser abordado tanto em regime

estacionário de extração de calor quanto em regime transitório.

Na solidificação em regime estacionário, os valores de VL e GL são controlados

independentemente e condições operacionais artificiais podem ser produzidas para instabilizar

a interface plana. Nessas condições se o valor de GL/VL é reduzido, por exemplo, em virtude

da diminuição do gradiente de temperatura no líquido ou por meio da elevação da velocidade,

a região super-resfriada constitucionalmente é estendida e a instabilidade da interface plana é

inevitável, resultando, consequentemente, na formação de estruturas celulares. À medida que

19

a razão GL/VL é reduzida, as células anteriormente formadas começam a se desviar da forma

circular original, típica de sua secção transversal, passando a apresentar uma configuração

denominada de cruz de malta. Inicia-se, neste momento, a ocorrência da transição

celular/dendrítica até que o grau de instabilidade possa provocar a formação de estruturas que

possam ser caracterizadas completamente como dendríticas (ROCHA, 2003; PERES et al.,

2004; PERES, 2005).

Por outro lado, em condições transitórias de extração de calor, a velocidade de

solidificação e o gradiente térmico são interdependentes, ou seja, não podem ser controlados e

variam continuamente ao longo do processo, o que dificulta a análise da evolução

microestrutural a qual ocorre na grande maioria dos processos industriais que envolvem a

solidificação. Nestas condições, são poucos os trabalhos existentes na literatura que analisam

a transição celular/dendrítica (ROCHA, 2003). Peças formadas com estruturas completamente

celulares ou dendríticas apresentam parâmetros estruturais denominados espaçamentos

intercelulares (λc), interdendríticos primários (λ1), secundários (λ2) e terciários (λ3), que

juntamente com os produtos segregados, porosidades e contornos de grão caracterizam um

arranjo estrutural, ilustrado na Figura 1.3, que será responsável pelas propriedades mecânicas

resultantes.

A estrutura formada após a solidificação depende da maneira como este produto foi

processado e das características do material, sua performance determinará as propriedades do

produto final. Ao contrário do que se acreditava a conformação plástica dos lingotes não

necessariamente elimina os eventuais defeitos provindos do processo de solidificação.

Portanto as características mecânicas desses produtos dependem de aspectos descritos na sua

microestrutura, como o tamanho de grão, espaçamentos dendríticos, espaçamentos lamelares

ou fibrosos, das heterogeneidades de composição químicas, do tamanho e forma das

inclusões, da porosidade (Figura 1.3), que por sua vez são função das condições de

solidificação, afetando, portanto, as propriedades mecânicas da peça fundida (QUARESMA,

1999; QUARESMAet al., 2000; ROCHA 2003; ROCHA et al., 2003A; 2003B; 2003C; SÁ et

al., 2004; GARCIA e SILVA,2007; CANTÉ, 2009; GOMES, 2012; MOUTINHO, 2012;

COSTA, VASCONCELOS et al., 2014; DIAS FILHOS, 2013; GOMES, 2012).

20

Figura 1.3 – Representação esquemática de uma microestrutura bruta de solidificação.

Fonte: Sáet al. (2004).

Para melhor compreensão do crescimento de estrutura dendríticas, é fundamental o

entendimento da formação da microestrutura de solidificação em condição de fluxo de calor

transitório. As microestruturas de menor espaçamento permitem uma distribuição mais

homogênea de produtos segregados, de inclusões e de poros que não puderam ser

completamente eliminados antes da solidificação. Em estudos realizados por Quaresma

(2000) com ligas Al-Cu e Osório (2000; 2003) com ligas Zn-Al, demonstram que os limites

de escoamento e de resistência à tração podem ser correlacionados com os espaçamentos

dendríticos. Mais recentemente Barros et al. (2015B) propuseram para ligas Al-Cu, leis

experimentais que permitam predizer a dependência de microdureza (HV) com parâmetros

térmicos e espaçamentos dendríticos primários. E, segundo Garcia (2007) quando se encontra

presente uma microestrutura dendrítica completamente ramificada, essas propriedades devem

ser correlacionadas com os espaçamentos de menor ramificação, no caso os espaçamentos

dendríticos terciários.

Considerando o exposto este trabalho tem como objetivo principal propor um estudo

que seja capaz de interrelacionar parâmetros térmicos com espaçamentos dendriticos

terciários e, pela primeira vez, propor à literatura leis experimentais de potência e Hall-Petch

de HV em função de 3 para uma liga multicomponente da série 319.1 (Al-3%Cu-5,5%Si)

solidificada direcionalmente com refrigeração a água. Para tanto, um dispositivo de

21

solidificação direcional horizontal foi elaborado e utilizado nos experimentos. Para o alcance

deste objetivo foram estabelecidas as seguintes metas:

Fazer uma revisão atualizada no que diz respeito às ligas ternárias com ênfase nas

ligas Al-Si-Cu tendo em vista, os parâmetros térmicos, a microestrutura e

microdureza;

Elaborar a liga Al-3%Cu-5,5%Si e desenvolver experimentos de solidificação com a

respectiva liga num dispositivo unidirecional horizontal resfriado a água em regime

transitório de extração de calor, assumindo um superaquecimento de 10% acima da

temperatura liquidus da liga analisada;

Obter os perfis térmicos de solidificação para a liga investigada em posições

estrategicamente definidas;

Determinar para a referida liga, as variáveis térmicas do processo de solidificação,

tais como: Velocidades de Deslocamento da Isoterma Liquidus (VL), Taxas de

Resfriamento (TR) e o Tempo Local de Solidificação (tSL) a partir dos registros

térmicos experimentais;

Caracterizar a macroestrutura assim como a microestrutura dendrítica de

solidificação em posições específicas ao longo do lingote solidificado

direcionalmente.

Medir os espaçamentos dendriticos terciários e correlacionar com os parâmetros

térmicos, propondo leis experimentais de crescimento de 3 em função de VL, TR e

tSL

Medir a microdureza nas mesmas posições de 3 e correlacioná-la com3.

22

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 VARIÁVEIS TÉRMICAS DE SOLIDIFICAÇÃO

O fluxograma da Figura 2.1 mostra uma sequência dos principais elementos e eventos

que interagem durante a solidificação de um metal, desde o líquido até o produto solidificado.

As técnicas de caracterização macroestrutural e microestrutural aliadas ao estudo dos

fenômenos de transferência de calor e massa que ocorrem durante o processo de solidificação

permitem avaliar a influência das variáveis térmicas na definição da morfologia apresentada

pelas estruturas brutas de solidificação, determinantes da qualidade dos produtos

desenvolvidos, permitindo estabelecer métodos de programação prévia da produção. Visto

que, as estruturas e morfologias resultantes do processo de transformação líquido/sólido

influenciam as propriedades do produto final (MOUTINHO; 2012). O conhecimento da

influência das variáveis térmicas, tais como temperatura de vazamento (Tv), velocidade de

evolução da isoterma liquidus(VL) e taxa resfriamento (TR) sobre a formação da estrutura

resultante do processo de solidificação é fundamental para o planejamento dos processos de

fundição e lingotamento, uma vez que a mesma determina a qualidade dos produtos acabados.

Desse modo, muitos estudos têm sido desenvolvidos de maneira a possibilitar o mapeamento

térmico da solidificação com o objetivo de correlacionar as variáveis do processo com

parâmetros da estrutura obtida, tornando-se extremamente importante a avaliação teórico-

experimental da influência das variáveis térmicas (VL, GLe TR ).

23

Figura 2.1 – Inter-relação dos fenômenos durante a solidificação de um metal.

Fonte: Goulart (2010).

No que diz respeito às pesquisas experimentais, a técnica de solidificação

unidirecional tem sido bastante utilizada em estudos de caracterização de aspectos da

macroestrutura, da microestrutura e de análise da segregação de soluto, este processo pode ser

dividido em duas categorias: aquelas que tratam da solidificação em condições estacionários

de fluxo de calor e as que abordam a solidificação em regime transitório de fluxo de calor

(OSÓRIO, 2003; FERREIRA, 2004; SPINELLI, 2005; SPINELLI et al., 2004; BOEIRA,

24

2006; MOUTINHO, 2007; ROSA, 2007; CRUZ, 2008;SILVA, 2007;GOMES,

2012;CARVALHO, 2013;COSTA, 2013). Na primeira, o gradiente de temperatura (GL) e a

velocidade da frente de solidificação (VL)são controlados independentes e mantidos

constantes ao longo do experimento; embora seja umatécnica extremamente útil na

determinação de relações quantitativas entre aspectos damicroestrutura, como os

espaçamentos interdendríticos e as variáveis térmicas de solidificação, permitindo analisar a

influência de cada variável de forma independente e mapear experimentalmente os parâmetros

microestruturais, não representa o fluxo de calor da maioria dos processos industriais que

envolvem a solidificação (ROCHA; 2003).

Na solidificação em condições transitórias de fluxo de calor, tanto o gradiente de

temperatura (GL) quanto a velocidade de deslocamento de interface sólido-líquido ou

velocidade de frente de solidificação (VL) variam livremente com o tempo e a posição dentro

do metal, situação que ocorre nos processos industriais e que dificulta a modelagem teórica,

diante disto, torna-se extremamente importante a avaliação teórico-experimental da influência

das variáveis térmicas (velocidade de solidificação, gradiente térmico e taxa de resfriamento)

em condições de solidificação unidirecional transitória, sobre parâmetros da macroestrutura e

da microestrutura para sistemas metálicos (GARCIA; 2007).

Este processo de transformação líquido/sólido pode ser investigado experimentalmente

em função da direção na qual o fluxo de calor é extraído e do sentido de avanço da frente de

solidificação, ou seja, a solidificação pode ser unidirecional horizontal, vertical descendente e

ascendente.

A Figura 2.2 ilustra detalhadamente os modos de transferência de calor presentes em

uma situação física de solidificação unidirecional, tais como: convecção forçada na água,

transferência newtoniana na interface água/molde, condução no molde, transferência

newtoniana na interface molde/metal, condução no metal, convecção e condução térmica no

metal líquido.

25

Figura 2.2 - Modos de transferência de calor em um sistema de solidificação unidirecional refrigerado a

água.

Fonte: Dias filho (2012).

2.2 TIPOS DE DISPOSITIVOS PARA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL

2.2.1 Dispositivo para solidificação unidirecional vertical ascendente

No dispositivo de solidificação vertical ascendente apresentado na Figura 2.3, o metal é

fundido dentro do molde e quando a temperatura do metal liquido atinge um determinado

valor a solidificação se inicia através do acionamento da agua de refrigeração na parte inferior

do molde. Desta forma a solidificação se processa no sentido vertical de baixo para cima.

Com a solidificação evoluindo em sentido contrário ao da ação da gravidade, o peso próprio

do lingote atua no sentido de favorecer o contato térmico com a base refrigerada ocasionando

o resfriamento rápido e proporcionando condição para uma nucleação intensiva nessa região,

levando à formação de grãos cristalinos de pequenas dimensões, crescidos em direções

aleatórias. Essa região é denominada zona coquilhada(SANTOSet al., 1997; SANTOS; 2006;

SANTOS et al., 2001). Este dispositivo também permite ainda que sejam programados

experimentos para analisar a influência do superaquecimento no metal líquido e para

26

investigar o papel da resistência térmica de contato metal/molde na estrutura de solidificação

(FERREIRAet al., 2003; OSÓRIO, 2003; ROCHA, 2003B; SIQUEIRA et al., 2002).

Figura 2.3 – Dispositivo de solidificação vertical ascendente.

Fonte: Goulart(2010).

2.2.2Dispositivo para solidificação unidirecional vertical descendente

Visando analisar os efeitos simultâneos do vetor gravidade e da convecção natural na

evolução microestrutural de metais e ligas, Spinelli (SPINELLI, 2005) desenvolveu um

dispositivo que consiste numa câmara refrigerada à água localizada no topo da lingoteira.

Assim, o processo de solidificação dar-se no mesmo sentido da ação gravitacional, com a

força peso atuando no sentido de deslocar o lingote do contato com a base refrigerada.

27

Figura 2.4 – Dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente: (1) sistema de aquisição de

dados; (2) material refratário; (3) resistências elétricas; (4) lingoteira; (5) termopares; (6) registrador de

dados; (7) câmara refrigerada; (8) rotâmetro; (9) metal; (10) controle do forno

Fonte: Spinelli (2005).

Quando comparada com a solidificação vertical ascendente, esta configuração

possibilita uma situação de maior resistência térmica à passagem de calor do lingote em

direção ao fluido de refrigeração (ROSAet al., 2006;SPINELLI, 2005; ROSA, 2007;

MOUTINHO, 2012; ROSA et al., 2008). Outra diferença essencial consiste na presença

constante de algum movimento convectivo, uma vez que o perfil de temperatura do líquido é

crescente em direção à base do lingote (isolada termicamente), o que significa que ocorrerá

pelo menos convecção por diferenças de temperatura no líquido.

2.2.3 Dispositivo para solidificação unidirecional horizontal

São apresentados nas figuras 2.5 e 2.6 dois dispositivos de solidificação horizontal.

Visto que o processo de solidificação pode ser conduzido de duas maneiras distintas: (a) A

partir do vazamento de metal líquido no interior de um molde isolado termicamente nas

laterais, sendo o calor extraído somente por uma das paredes constituída de um bloco maciço

metálico ou de uma câmara de refrigeração; (b) Através de um sistema semelhante que

permita fundir o metal em seu interior até que uma temperatura seja alcançada, a partir da

qual se aciona a refrigeração e tem início o processo de solidificação.

28

Figura 2.5 – Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal.

Fonte: Quaresma (1999).

No primeiro caso, desenvolvido por (QUARESMA, 2000), a turbulência do

vazamento induz correntes de convecção forçada que levam algum tempo para se dissipar e

que agem com intensidades diferentes ao longo da secção do lingote. No segundo caso, mais

recentemente, a fim de ampliar a e aprofundar a pesquisa sobre os efeitos do vetor gravidade e

da convecção termosolutal na evolução da microestrutura de solidificação, (SILVA, 2007)

elaborou e desenvolveu um dispositivo de solidificação horizontal refrigerado à agua (Figura

2.6), pelo qual garante-se, com a fusão do metal dentro do molde, uma maior estabilidade em

relação ao movimento de metal líquido. É importante ressaltar, no entanto, que as mesmas

variáveis térmicas de solidificação não podem ser asseguradas ao longo de diferentes secções

horizontais da base ao topo do lingote, uma vez que instabilidades térmicas e diferenças de

densidade no líquido irão promover correntes convectivas que serão diferentes ao longo

dessas secções. O mapeamento térmico da evolução da solidificação deve ser levantado em

uma secção horizontal o mais próximo possível da seção na qual serão analisados os aspectos

da macroestrutura e da microestrutura (QUARESMA, 1999;

29

Figura 2.6 – Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado a água.

Fonte: Silva (2007).

2.3 MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO

As microestruturas estão relacionadas às modificações que ocorrem na interface entre

o sólido e o líquido durante o processo de solidificação. Mas em condições ideais essa

interface deveria permanecer plana, típica dos metais puros. Porém, alterações nos parâmetros

constitucionais e térmicos do sistema metal/molde impedem que a mesma permaneça nesta

forma, dando origem às microestruturas celulares e dendríticas (CANTÉ, 2009; MOUTINHO,

2012).

Estas modificações à frente da solidificação é resultante da segregação de soluto, que

estimula um aumento dos seus teores frente à interface solido/ liquido, que pode acarretar em

uma distribuição não uniforme dos mesmos no liquido. Este acúmulo de teor de soluto à

frente da fronteira solido/liquido dá origem a um fenômeno que favorece a nucleação,

conhecido na literatura como super-resfriamento constitucional (SRC) (ROCHA, 2003;

PERES, 2005; SILVA, 2007;SILVA, 2008; GARCIA, 2008; CANTE, 2009; CARVALHO,

2011; MOUTINHO, 2012; GOMES, 2012; COSTA, 2013).Dependendo do valor do super-

resfriamento constitucional, a instabilidade causada na interface sólido/líquidodá origem a

30

diferentes morfologias: plana, celular e dendrítica, conforme esquema apresentado na figura

abaixo.

Figura 2.7 – Representação esquemática da atuação de fatores de influencia na formação de estruturas de

solidificação: SRC-grau de super-resfriamento; GL-gradiente térmico à frente da interface; VL-velocidade

da interface; e COconcentração de soluto

Fonte: Rocha (2003) e Goulart(2005).

A continuidade do aumento do grau de super-resfriamento constitucional ocorre

instabilidades de maior ordem com surgimento de braços secundários e terciários que

caracterizam as redes dendríticas. As distâncias entre centros de células e de ramificações ou

braços dendríticos são definidas como espaçamentos intercelulares e interdendríticos, que são

muito utilizados para determinar os efeitos das condições de solidificação sobre a

microestrutura formada, conforme apresentado na Figura 2.8.

31

Figura 2.8 – Esquema representativo das ramificações interdendríticaprimaria , secundário e terciário

Fonte: Costa (2013).

Ao perfil de acumulação de soluto no líquido corresponde um perfil inverso da

temperatura líquidos (TL), para situações em que (TL) diminui à medida que a concentração de

soluto aumenta, conforme esquema mostrado na Figura 2.9 (A), que apresenta uma região

sombreada, em que o líquido à frente da interface encontra-se a temperaturas reais (TR2),

abaixo do perfil de temperaturas líquidos, portanto, está super-resfriado pelo efeito

constitucional. Para impedir esse super-resfriamento e manter a interface na forma planar, é

necessário que o gradiente do perfil real de temperaturas no líquido seja maior ou igual ao

gradiente do perfil de temperatura liquidus junto a essa interface, isto é, T real > TR1 na Figura

2.9 (B) (ROCHA, 2003).

32

Figura 2.9 – Indicação da região com super-resfriamento constitucional: (A) Perfil de acumulação de

soluto à frente da interface S/L;(B) Perfil inverso de temperatura líquidus correspondente à região super-

resfriada constitucionalmente.

Fonte: Garcia (2007).

2.4 ESTRUTURA DENDRÍTICA

Algumas vezes os grãos colunares desenvolvem varias ramificações, as quais são

chamadas de estruturas dendriticas. O termo dendrita é de origem grega onde dendron

significa árvore, devido a semelhança com a ramificação das árvores. Uma estrutura

dendrítica totalmente desenvolvida possui três níveis de ramificações. O braço primário,

correspondente à espinha dorsal da estrutura dendrítica, os braços secundários que são

ortogonais ao braço primário e os braços terciários que crescem paralelos ao braço primário,

conforme mostra a Figura 2.10. Visto que, as distancias entre os braços dendriticos são

definidos como espaçamento intercelulares e interdendriticos, que são muito utilizados para

determinar os efeitos das condições de solidificação sobre a microestrutura formada

(ROCHA, 2003).

33

Figura 2.10 - Estrutura dendrítica metálica composta por três níveis de ramificações.

Fonte: Sáet al. (2004).

Na solidificação de metais puros, a formação de estrutura dendrítica ocorre devido à

presença de super-resfriamento da fase líquida, ou seja, a temperatura da fase líquida se

encontra abaixo da temperatura de fusão do metal. Esse super-resfriamento permite que

instabilidades na interface sólido/líquido avancem para dentro da fase líquida e encontrem

temperatura propícia para se desenvolver e criar ramificações (GARCIA, 2007).

Figura 2.11 – Avanço da interface difusa no processo de solidificação com super-resfriamento.

Fonte: Rocha (2003), Garcia (2007).

34

Já no processo de solidificação de ligas metálicas, as estruturas dendríticas formam-se

devido ao super-resfriamento constitucional, que é provocado pelo acúmulo de soluto a frente

da interface sólido/líquido (GARCIA, 2007).

Alguns autores como Flemings (1974) e Kurz -Fisher(1981; 1992) propõem que a

transição morfológica celular para dendrítica tende a ocorrer, quando as condições de

solidificação são tais que a direção cristalográfica passa a exercer maior influência sobre a

direção de crescimento.

Figura 2.12 Direções de crescimento esquemáticas: morfologia celular(A),morfologia de transição celular

a dendritica(B) e morfologia dendritica(C),onde a direção de crescimento é definida por fatores

cristalográficos.

Fonte: Flemings (1974).

2.5 LEIS DE CRESCIMENTO DENDRÍTICO

Um dos principais fatores que impulsionaram vários pesquisadores do mundo como

(YOUNG e KIRKWOOD, 1975;OKAMOTO-KISHITAKE, 1975; KURZ-FISHER, 1981;

TEWARI e CHOPRA, 1992; WARREN e LANGER, 1993; TRIVEDI, 1984; TRIVEDI et al.,

2001; HUNT-LU, 1996; GANDIN et al., 1996; BOUCHARD-KIRKALD, 1997; DING e

TEWARI, 1999;GEYING e LIXIN, 1987; ROCHA, 2003;SÁ et al., 2004;GARCIA, 2007; LI

et al., 2007; ZHU e STEFANESCU, 2007; ORDORICA e RAPPAZ; 2008; EASTON et al.,

35

2010; WU et al., 2010), a procurar desenvolver modelos matemáticos, teóricos e

experimentais, que permitam prever a microestrutura de solidificação é a elevada influência

que a mesma exerce nas propriedades futuras de produtos fundido. Assim, por exemplo,

espaçamentos intercelulares e interdendríticos menores permitem que a microestrutura seja

caracterizada por uma distribuição mais uniforme da segregação microscópica existente entre

as ramificações celulares ou dendríticas (ROCHA, 2003). Enquanto que espaçamentos

maiores podem exigir tratamentos térmicos específicos mais demorados para a

homogeneização da composição química. Portanto, a determinação correta dos parâmetros

que controlam esses espaçamentos durante a solidificação é fundamental.

Na literatura são poucos estudos visando correlacionar parâmetros microestruturais

com as variáveis térmicas da solidificação transitória para sistemas binários, podendo-se citar

os modelos de Hunt e Lu (1996) e de Bouchard-Kirkaldy (1996; 1997). Visto que esses

modelos foram desenvolvidos para ligas binarias, não se aplicam a ligas ternárias, as quais são

estudadas neste trabalho.

É importante salientar que são poucos os trabalhos na literatura que abordam

sistematicamente a evolução microestrutural para ligas multicomponentes, o que mostra a

necessidade de estudos visando correlacionar às microestruturas com variáveis térmicas.

O modelo proposto por Rappaz e Boettinger (1999), é o único existente para sistemas

multicomponentes, visto que menciona somente o crescimento de ramificações dendríticas

secundárias e que ainda carece de uma validação experimental consistente.

A análise de estruturas brutas obtidas a partir de sistemas de solidificação

unidirecional, é uma interessante forma de estudar o crescimento de células e dendritas em

peças fundidas. Esse tipo de estudos têm estabelecido relações entre parâmetros

microestruturais e variáveis térmicas de solidificação de ligas binárias na forma generalizada

dada por:

a - ,V ,G C λ,λ ,λ ,λ LL3 21C

T (2.1)

onde, “C“ é uma constante que depende da composição química da liga e “a” é um

expoente que tem sido determinado experimentalmente na literatura para diversas ligas e para

solidificação tanto em regime permanente quanto transitório (MCCARTNEY E HUNT,

1981;BOUCHARD-KIRKALDY, 1997;ROCHA et al., 2003; GÜNDÜZ E ÇARDILI,

2002;QUARESMA et al., 2000;OSÓRIO, 2003) , C, 1, 2 e 3 são respectivamente, os

espaçamentos celulares e dendríticos primários e secundários e terciários, respectivamente, GL

36

é o gradiente de temperatura à frente da isoterma liquidus, VL é a velocidade de deslocamento

da isoterma liquidus e

T é a taxa de resfriamento.

Alguns trabalhos como as equações experimentais desenvolvidas por Rocha (2003)

para ligas Al-Cu, Peres (2005) para ligas Al-Si, Canté (2009) para ligas de Al-Ni, Cruz (2008)

para ligas Al-Sn,visaram demonstrar o crescimento dendritico de ligas binárias hipoeuteticas

à base de Al, todos para solidificação vertical. Mais recente (MOUTINHO,2007;DIAS

FILHO,2012;VASCONCELOS et al,2014;COSTA,2013;CARVALHO,2013), foram propostas

equações experimentais para solidificação horizontal. Recentemente, foram publicados,

trabalhos relatando o crescimento dendritico em ligas multicomponentes à base de alumínio.

Moutinho (2012), por exemplo, trabalhando com solidificação direcional ascedente em

regime transitório de extração de calor para ligas multicomponentes a base de alumínio da

serie Al-6Cu-nSi e o trabalho deGOMES (2012) solidificação unidirecional vertical

ascendente em condições transitórias de extração de calor em ligas ternárias Al-3Cu-nSi, onde

“n” são percentuais em peso de Si que foram variados. Visto que análises desse tipo são muito

escassas na literatura. Esses trabalhos, independentemente da direção de crescimento (vertical

ou horizontal), tanto para ligas binárias e ternárias, têm proposto à literatura leis

experimentais semelhantes à Equação 2.1, estabelecendo valores de “a” iguais a 1,1 e 0,55

para espaçamentos interdendríticos primários e terciários em função de VL e TR,

respectivamente, e 2/3 e 1/3 para interdendríticos secundários em função de VL e TR,

respectivamente.

Na rede dendritica, além dos espaçamentos primário e secundário encontramos

também o espaçamento terciário, o qual exerce influência sobre as propriedades dos materiais

fundidos. Atualmente, na literatura, não existem modelos teóricos, assim como são quase

inexistentes estudos experimentais que visam a quantificação dos espaçamentos dendríticos

terciários (λ3) em função de variáveis térmicas de solidificação.

Grugel (1993), utilizando um sistema de solidificação Bridgman para regime

estacionário de extração de calor, em ligas hipoeutéticas Al-Si, determinou uma lei

experimental de variação de λ3 em função do tempo local de solidificação, dado por:

λ3 = 10(tSL)1/3

(2.2)

Sá e co-autores (2004), utilizando um sistema de solidificação unidirecional

refrigerado a água em regime transitório de extração de calor, obtiveram para ligas

hipoeutéticas dos sistemas Sn-Pb e Al-Cu expressões experimentais para λ3 em função de VL

37

e de TR. Os resultados obtidos permitiram a determinação de fator paramétrico ( = TR/C0)

entre a composição química (C0) e os parâmetros térmicos (VL, GL e TR) capaz de indicar

condições de solidificação para o surgimento das ramificações terciárias. As condições

assumidas por Sá et al. (2004)para o surgimento de braços terciários a partir dos secundários

são < 0.4. A Figura 2.13 apresenta a dependência de 3 sobre TR para um adas ligas Al-Cu

analisadas pelos autores, indicando o fator .

Figura 2.13 - Resultado experimental de Sá et al. (2004) mostrando a lei de crescimentos de 3 em função

de TR.

Fonte: Sá et al. (2004).

Sá et al. (2004) também investigaram a relação existente entre os braços terciários e

primários (1/3), propondo que os braços terciários nucleiam e evoluem a partir da

instabilização das paredes dos braços secundários, que passam a crescer na rede dendrítica

como primários. A relação encontrada pelos autores foi de 1/3 = 5. A Figura 2.14 apresenta

as leis experimentais de 1e 3 e a relação existente entre esses braços dendríticos primários e

terciários.

38

A Figura 2.14 – Resultados comparativos entre a relação de 1/3 obtida por Sá et al. (2014)

Fonte: Sá et al.(2004).

Rosa (2007) e Rosa et al. (2006) utilizando dois sistemas de solidificação

unidirecional vertical refrigerados a água, ambos em regime transitório de extração de calor,

um ascendente e o outro descendente (Figuras 2.3 e 2,4), obtiveram para ligas hipoeutéticas

Al-Cu e Al-Si leis de potências experimentais de crescimento de 3 em função de TR e tSL,

com expoentes iguais ao obtido por Sá et al. (2004), isto é, -0,55 para 3 = f(TR), e 0,55 para

3 = f(tSL). As Figuras 2.15 e 2.16 apresentam, respetivamente, para as ligas Al-Cu e Al-Si, as

leis obtidas por Rosa et al. (2006). Observa-se que os autores realizaram estudos comparativos

para analisar a direção de crescimento direcional vertical (ascendente e descendente), cujos

resultados mostraram maiores valores de 3 para as ligas Al-Cu solidificadas na direção

vertical ascendente, enquanto que para as ligas Al-Si a direção de crescimento não influenciou

no 3, uma vez que lei única foi obtida para ambas as direções. Rosa et al. (2006), da mesma

forma que Sá et al. (2004), também propuseram uma relação existente entre os braços

terciários e primários (1/3), como pode ser vista nas Figuras 2.15(a) e 2.15(b). Os autores

também realizaram análises comparativas entre seus resultado com os de Grugel (1993),

conforme Figura 2.16(b).

39

Figura 2.15 – Leis experimentais de 3 = f(TR,tSL) para ligas Al-Cu obtidos por Rosa et al.(2006).

Fonte: Rosa et al.(2006).

40

Figura 216 – Leis experimentais de 3 = f(TR,tSL) para ligas Al-Cu obtidos por Rosa et al. (2006).

Fonte: Rosa et al.(2006).

Moutinho (2012), utilizando um sistema de solidificação unidirecional ascendente

refrigerado a água em regime transitório de extração de calor, obteve para ligas do sistema Al-

Cu-Si expressões experimentais para λ3 em função de VL e de TR . Os resultados encontrados

permitiram a determinação de uma correlação entre a composição química e os parâmetros

(VL e TR) capazes de indicar condições de solidificação para o surgimento das ramificações

terciárias nas estruturas dendriticas. Além disso, fez uma comparação entre o conjunto de

resultados experimentais de espaçamentos dendriticos terciários para as ligas ternárias e os

valores obtidos para a correspondente liga binária Al-6,2%Cu (BOEIRA, 2006), mostrou que

as duas ligas ternárias apresentam uma única lei experimental de evolução de λ3 com taxa de

resfriamento dada pela equação experimental, que é muito próxima daquela obtida para a liga

Al-6,2%Cu (BOEIRA, 2006). A Figura 2.17 apresenta a leis experimental de λ3=f(TR) obtidas

por Moutinho para as ligas Al-Cu-Si analisadas assim como um contra ponto com os

resultados de Sáet al.(2004).

41

Figura 2.17 – Lei experimental de 3 = f(TR) para ligas Al-Cu-Si obtida por Moutinho (2012).

Fonte: Moutinho (2012).

Gomes(2012), utilizando um sistema de solidificação unidirecional vertical ascendente

em condições transitórias de extração de calor em ligas ternárias Al-5,5%Si-3,0%Cu e Al-

9,0%Si-3,0%Cu, notou que a evolução λ3com a taxa pode ser representada pela mesma lei

experimental obtida por Sá et al. (2004) para ligas Al-Cu e ligeiramente superior a lei obtida

por Moutinho (2012). Entretanto, o expoente -0,55 foi mantido também no trabalho de Gomes

(2012), conforme se observa na Figura 2.18.

42

Figura 2.18 – Lei experimental de 3 = f(TR) para ligas Al-Cu-Si obtida por Gomes (2012).

Fonte: Gomes (2012).

A Tabela 2.4, apresenta uma síntese de leis experimentais de crescimento de 3 para

ligas de alumínio:

43

Tabela 2.1. Leis experimentais para previsão dos espaçamentos dendríticos terciários para ligas binárias e

multicomponentes de alumínio.

Autor Configuração Liga Lei

Sá et al. (2004) Vertical ascendente

Al-5%Cu

Al-8%Cu

Al-10%Cu

Al-15%Cu

λ3 = 50(TR)-0,55

Rosa et al. (2006)

Vertical descendente

Al-5%Cu λ3 = 18(TR)-0,55

Al-8%Cu λ3 = 22(TR)-0,55

Vertical ascendente

Al-5%Cu

λ3 = 50(TR)-0,55

Al-8%Cu

Vertical ascendente e

descendente

Al-5%Si

Al-7%Si

Al-9%Si

λ3 = 18(TR)-0,55

Moutinho (2012) Vertical ascendente

Al-6%Cu-1%Si

Al-6%Cu-4%Si

λ3 = 41,2(TR)-0,55

Gomes (2012) Vertical ascendente

Al-3%Cu-5,5%Si

Al-3%Cu-9%Si

λ3 = 50(TR)-0,55

Dias Filho et al. (2015) Horizontal Al-6%Cu λ3 = 52(TR)-0,55

Barros et al. (2014) Horizontal Al-3%Cu λ3 = 37(TR)-0,55

2.6. MICRODUREZA

Para o controle da qualidade de um produto, é muito comum utilizar ensaios

mecânicos para verificar a dureza de um material. Esta propriedade expressa, resistência a

44

deformações permanente e está diretamente relacionada com a estrutura atômica de cada

material (GARCIA, 2007).

Estudos como de Dias (DIAS FILHO 2012; 2013 e DIAS FILHO et al. 2015)

resumem os testes de dureza em endentações realizadas na superfície de um material

ocasionando deformações similares às geometrias dos endentadores que podem ser esféricos,

cônicos ou piramidais. O princípio geral da endentação consiste em aplicar uma carga

conhecida e padronizada sobre a superfície lisa de um material e posteriormente medir a

deformação plástica residual.

Uma importante característica da dureza, em especial para a engenharia mecânica, é a

sua correlação com o limite de resistência e o limite de escoamento dos metais. Várias são as

técnicas de medição de dureza, entre as quais podem ser destacadas as escalas Rockwell,

Brinell e Vickers.

A dureza Rockwell é hoje a técnica de medição de dureza mais utilizada no mundo

pela facilidade e rapidez de sua execução, isenção de erros humanos, facilidade de detecção

de pequenas diferenças de dureza e pequeno tamanho da impressão . Inicialmente, aplica-se

uma pré-carga para firmar o material e na seqüência é imposta a carga propriamente dita. O

penetrador pode variar de um cone de diamante (mais utilizado) a uma esfera. A carga é

aplicada por um tempo de aproximadamente 10 segundos, de onde é retirada e mede-se então,

automaticamente, a profundidade da impressão gerada.

O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço

temperado de diâmetro conhecido, sob uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por

meio da aplicação de uma força determinada por um tempo pré-estabelecido, formando uma

calota esférica permanente na superfície do material. Essa calota é então medida com o

auxílio de uma lupa graduada, e o valor obtido é confrontado com uma tabela para a

determinação da dureza do material em escala Brinell.

A dureza Vickers, introduzida apresenta um endentador em forma de pirâmide de

diamante de base quadrada, com um ângulo de 136º entre as faces opostas (CARVALHO,

2013). É apontada como a escala mais completa, devido a sua abrangência ser a maior entre

todas as escalas de dureza, além de permitir resultados em escala contínua e de grande

precisão na determinação dos resultados. Na Figura seginte é mostrado o esquema de uma

endentação com penetrador piramidal.

45

Figura 2.19 – Geometria do endentador e da impressão Vickers

Fonte: Carvalho (2013).

Com a evolução dos testes de dureza Vickers tornou-se possível realizar ensaios de

microdureza, os quais visam uma medição em pequenas áreas com precisão e eficiência em

regiões críticas como as afetadas pelo calor de uma soldagem. Estes ensaios são normalizados

pela ASTM (E- 384) onde são definidos padrões para a carga e o tempo de aplicação para

determinado material.

Para a realização dos ensaios de microdureza, a superfície do material deve ser muito

bem preparada não podendo conter oxidações ou imperfeições. Ainda assim, a superfície deve

ser plana, limpa, lixada e polida para que não ocorra distorções nas medidas. É necessário um

microdurômetro para a medição das micro impressões deixadas pelo endentador [BARROS et

al, 2015(A)].

Na literatura as propriedades mecânicas dos materiais solidificados são normalmente

determinadas por meio de ensaios de dureza, pois trata-se de uma técnica bastante simples e

fácil de ser executada (KARAKÖSE e KESKIN, 2011; ÇADIRLI, 2013; KAYA et al., 2013).

Leis experimentais dos tipos potência e de Hall-Petch, representadas respectivamente pelas

equações 2.3 e 2.4, foram obtidas para várias ligas binárias à base alumínio. Essas leis

permitem verificar valores mais elevados de microdureza para menores espaçamentos

46

dendríticos primários (1) e secundários (2). São bem poucos ou quase não existem na

literatura trabalhos que correlacionam HV em função dos espaçamentos dendríticos terciários.

HV = K1(λ1,2)-m

(2.3)

HV = H0 + K2(λ1,2)-n

(2.4)

Onde m e n são os valores dos expoentes em função dos espaçamentos dendríticos

secundários e H0, K1 e K2 são constantes determinadas experimentalmente para cada tipo de

liga.

As Tabelas 2.2 e 2.3 apresentam resultados experimentais da literatura os quais

propõem para ligas à base de alumínio leis experimentais de HV=f(λ1,2) semelhantes às

Equações 2.3 e 2.4.

Tabela 2.2 -Resultados experimentais de HV = f (VL, TR e 1) obtidas da literatura.

Liga Solidificação horizontal transiente Solidificação vertical

ascendente estacionária

Al-3,0%Cu

HV = 59(VL)0.11

HV = 54(TR)0.05

HV = 97(1)-0.098

HV = 47+147(1)-1/2

(BARROS et al., 2015B)

HV = 72.1(TR)0.09

HV = 41.5(1)-0.29

[ÇADIRLI, 2013]

HV = 88.32(VL)0.12

HV = 33.14(1)-0.40

(KAYA et al., 2008)

Al-8,0%Cu

HV = 86(VL)0.15

HV = 74 (TR)0.09

HV = 151(1)-0.12

HV = 60+270(1)-1/2

-

47

(BARROS et al., 2015B)

Al-3%Cu-5.5%Si

HV = 101(VL)0.14

HV = 85(TR)0.06

HV = 215(1)-0.16

HV = 64+401(1)-1/2

(ARAÚJO, 2015)

-

Fonte: Acervo do GPMET/IFPA e GPSol/UFPA

Tabela 2.3. Resultados experimentais de HV = f (2) obtidos da literatura.

Liga Equações experimentais tipo

potência

Direção da

solidificação

Referência

Al-3%Cu

HV = 141,55(λ2)-0,30

Vertical ascendente Kaya et al (2008)

HV = 121,15(λ2)-0,21

Vertical ascendente Çadirli (2013)

HV = 94(λ2)-0,15

Horizontal Barros et al.

(2015A)

Al-6.%Cu HV = 177,95(λ2)-0,20


Al-3%Si HV = 96,83(λ2)-0,25

Vertical ascendente Kaya et al. (2008)

Al-15%Cu HV = 219,72(λ2)-0,17


Al-24%Cu HV = 317,61(λ2)-0,18


Al-33%Cu HV = 331,04(λ2)-0,19


Al-1%Ti HV = 179,85(λ2)-0,32


Al-5%Si

HV = 114,49(λ2)-0,23

HV= 25+154 (λ2)-1/2

Horizontal Guimarães (2014)

48

Al-7%Si

Al-9%Si

HV = 57(λ2)-0,05

HV= 41+36 (λ2)-1/2

HV = 72(λ2)-0,09

HV=41+67 (λ2)-1/2

Al-3%Cu-5,5%Si

HV = 18(λ2)-0.17

HV= 61+183 (λ2)-1/2

Horizontal

Campos de Araújo

(2015)

Fonte: Adaptado de Campos de Araújo, 2015.

49

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

O presente capítulo tem como objetivo apresentar os equipamentos e materiais

empregados nas atividades experimentais bem como a metodologia utilizada durante a

execução das mesmas. A Figura 3.1 ilustra, esquematicamente, a descrição detalhada do

procedimento experimental assumido neste trabalho, desenvolvido com base em diversas

etapas específicas. Observa-se que o planejamento experimental foi definido e desenvolvido

em três etapas:

• 1ª Etapa – Preparação das Ligas Estudadas

• 2ª Etapa – Determinação dos Parâmetros Térmicos de Solidificação

• 3ª Etapa – Obtenção e Caracterização da Microestrutura (caracterização e

quantificação de 3)

3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NESTE TRABALHO

3.2.1 Materiais e equipamentos para elaboração da liga

As composições químicas dos metais utilizados na preparação da liga analisada são

apresentadas na Tabela 3.1. A liga multicomponente à base de alumínio investigada neste

trabalho apresenta teores de solutos equivalentes a 3% de cobre e 5,5% de silício. Como

importâncias de escolha da liga Al-3%Cu-5,5%Si, destacam-se:

As ligas de alumínio para fundição possuem propriedades de grande interesse

industrial, conforme mencionado anteriormente de maneira detalhada nos Capítulo 1 e

2 deste trabalho.

Suas propriedades termofísicas são conhecidas na literatura (Gomes, 2012).

Apresentam temperaturas liquidus relativamente baixas, o que facilita as operações de

fusão e vazamento.

50

Figura 3.1 – Fluxograma do procedimento experimental empregado neste trabalho.

1ª Etapa – Preparação das Ligas Estudadas

2ª Etapa – Determinação dos Parâmetros Térmicos de Solidificação

3ª Etapa – Obtenção e Caracterização da Microestrutura

Aferição do

dispositivo de

solidificação

Corte dos metais puros

Al, Cu e Si

Elaboração da

liga Al-3%Cu-5.5%Si

Fusão da

liga Al-3%Cu-5.5%Si no

forno mufla

Verificação dos

teores de soluto

através da temperatura liquidus

TL na curva

de resfriamento

Vazamento e

solidificação

da liga

no dispositivo

de solidificação horizontal

Obtenção dos

perfis térmicos

experimentais para

sete posições

no molde

Identificação da TL e da temperatura

solidus-TS nos perfis de

temperatura

Determinação

experimental de

P = f(t),

VL= f(P), TR =f(P) e tSL = f(P)

Obtenção das amostras retiradas da macroestrutura

do lingote em posições

estratégicas

Embutimento,

lixamento e

polimento das

amostras

Preparação do

reagente químico

adequado

Revelação

das

microestruturas para cada posição

Medição dos

espaçamentos

dendríticos

terciários (3) para cada posição

Correlação entre parâmetros

térmicos e 3. Obtenção de leis

experimentais: 3 =f(P), 3 =f(VL), 3 =f(TR) e 3 =f(tSL)

51

Fonte: Adaptado de Carvalho (2013).

Tabela 3.1 – Composição química (% em peso) dos metais utilizados na elaboração da liga Al-3wt.%Cu-

7wt.%Si.

Metal Al Fe Ni Si P Ca Ti Zn Ga Cu V

Al 99,7 0,176 0,006 0,062 - - 0,009 0,007 0,012 - 0,011

Si 0,1094 0,3164 0,0102 99,596 0,010 0,0214 0,0455 - - - -

Cu 0,0951 - - - 0,045 - - - - 99,859

Fonte: Peres (2005) e Gomes (2012)

Para elaboração da liga multicomponente utilizada neste trabalho, os lingotes dos

elementos puros (Al, Cu e Si) foram seccionados em pequenas quantidades em uma serra de

fita na proporção estequiometricamente exata e a seguir pesados em uma balança eletrônica

analítica com precisão de 0,01g. O alumínio foi introduzido em um cadinho de carbeto de

silício, previamente revestido com uma camada de alumina para evitar a contaminação das

ligas, sendo em seguida conduzido até um forno tipo mufla, com temperatura máxima de

trabalho de 1250oC, interiormente revestido com placas refratárias e controle de

processamento de temperatura. Devido às temperaturas de fusão dos componentes serem

bastante diferentes, a liga foi obtida mediante o mecanismo de difusão dos solutos (Cu e Si)

na matriz líquida do solvente (Al), ou seja, após a total fusão do alumínio o cadinho foi

retirado do forno sendo então o Cu e o Si adicionados ao alumínio líquido. A mistura foi

homogeneizada com uma vareta de aço revestida com alumina a fim de facilitar a

incorporação do estanho na matriz de alumínio. A Figura 3.2 apresenta os principais

equipamentos utilizados durante a etapa de elaboração da liga Al-3%Cu-5.5%Si.

Medição de microdureza (HV) para dada posição analisada em

escala microestrutural

Correlação entre HV e VL, TR e tSL e obtenção de leis

experimentais: HV =f(P), HV =f(tSL) e HV=f(3)

52

Figura 3.2 – (a) Balança digital precisão de 0,01 mg; (b) Cadinho de carbeto de silício; (c) Forno tipo

mufla com temperatura de trabalho até 1250oC.

Fonte: Carvalho (2013).

Visando confirmar os teores de solutos (Cu e Si), inicialmente confirmados pela

temperatura líquidos durante observações experimentais in loco, através da curva de

resfriamento da liga analisada, mostrada por um registrador de temperatura, análise química

quantitativa e qualitativa foi realizada na lida investigada neste trabalho. A Figura 3.3

apresenta o analisador químico utilizado e a Tabela 3.2 o resultado correspondente dos

elementos que compõem a liga. A Figura 3.4 apresenta os diagramas de equilíbrio de fases

pseudo-binários pelo software termodinâmico TermoCalc. Vale ressaltar que o programa

ThermoCalc® foi utilizado para gerar os diagramas de fases no equilíbrio, e para fornecer os

dados necessários referentes ao caminho de solidificação das ligas multicomponentes. Através

da interface ICAPI do ThermoCalc® para Intel Visual Fortran®, é possível obter e gravar

dados do ThermoCalc® antes de qualquer simulação numérica de ligas multicomponentes,

procedimento este que acarreta maior precisão nos dados do diagrama de fases. Nesse sentido,

a Figura 3.5 apresenta o caminho de solidificação calculado pela referido programa. A Figura

3.6 mostra de forma esquemática o conjunto (computador, registrador de temperatura e

cadinho) utilizado para checagem in loco da temperatura de liquidus da liga estudada e a

Figura 3.7 o registro fotográfico do registrador de temperatura com respectivo termopar tipo

“K”.

53

Figura 3.3 – Registro fotográfico do analisador químico (Espectrômetro Ótico) utilizado neste trabalho

Fonte: Cedido pelo Grupo de Pesquisa em Engenharia de Materiais(GPMat/UFPA).

Tabela 3.2. Resultado da análise química quantitativa e qualitativa da liga Al-3%Cu-5,5%Si. Padrão

fornecido pelo analisador mostrado na Figura 3.2.

Fonte: Acervo do GPMET/IFPA e do GPSol/UFPA.

54

Figura 3.4 – Diagrama de fase pseudo-binários em função de Silício (a), de Cobre (b).

Fonte: Adaptado de Gomes (2012).

Figura 3.5 – Caminho de solidificação calculado pelo TermoCalc para condições fora do equilíbrio.

Fonte: Autoria própria

55

Figura 3.6 – Esquema do conjunto de monitoramento da temperatura liquidus da liga analisada


Figura 3.7 – Termopar tipo K (a) e registrador de temperatura (b)


3.2.2 Materiais e equipamentos utilizados durante a solidificação direcional

O dispositivo completo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado a água

utilizado na realização deste trabalho, esquematizado na Figura 3.8, foi projetado pela

empresa FORTLAB, mas teve como projeto básico, a construção e aferição a partir do

dispositivo desenvolvido por Silva et al. (2011) e, mais recentemente, aperfeiçoado por

Carvalho (2013). O dispositivo é constituído de resistências elétricas que permitem controlar

sua potência com o intuito de estabilizar os diferentes níveis de superaquecimento no metal

56

líquido assim como propiciar um isolamento térmico adequado, evitando perdas de calor pelas

laterais e pela base do molde. As Figuras 3.8(a) e 3.8(b) apresentam, respectivamente, uma

visão geral do conjunto e a parte interna do dispositivo de solidificação horizontal, mostrando

as referidas resistências e a lingoteira. O molde foi fabricado com geometria retangular a

partir de chapa de aço inox nas dimensões 59,5x59,5x160mm. Detalhes do projeto da chapa

trocadora de calor (chapa molde) se da lingoteira se encontram representados pela Figura 3.9.

As Figuras 3.10 e 3.11 mostram, respectivamente, o esquema de montagem da chapa molde

na lingoteira e um registro fotográfico do interior do dispositivo de solidificação horizontal.

As superfícies laterais internas da lingoteira foram revestidas com camadas de alumina

e as partes inferior e superior foram isoladas com material refratário para evitar perdas de

calor para o meio ambiente. A condição de contato térmico na interface metal/molde foi

padronizada por intermédio do polimento da superfície de extração de calor, lixando-a sempre

com lixas de granulometria 1200. Foram realizados, previamente, alguns experimentos com o

objetivo de aferir-se a direcionalidade horizontal do fluxo de calor por parte do dispositivo de

solidificação.

Os termopares usados (Figura 3.7) são identificados por letras segundo a ISA

(Instrument Societyof América) e adotados como padrão americano na ANSI C96 – 1964. As

temperaturas foram registradas com o auxílio de termopares tipo K com bainha externa de aço

inoxidável de diâmetro 1,6 mm; Tipo K: Chromel (+) – Alumel (-); Faixa de utilização: (0 a

1260) °C ≡ (0,000 a 50,990) mV; Potência termoelétrica: (4,04 mV / 100°).

57

Figura 3.8– (a) Representação do conjunto que compõe o dispositivo de solidificação direcional horizontal

utilizado neste trabalho: (10) termopares, (2) Controlador de temperatura, (3) computador, (4)

alimentação principal de água, (5) recipiente armazenador de água, (6) bomba d’água, (7) rotâmetro, (8)

entrada de água de refrigeração, (9) saída de água, (10) dispositivo de solidificação direcional horizontal,

(11) fidloger – registrador de temperatura, (b) Vista lateral e interna do dispositivo: (12) isolamento com

blindagem em cerâmica; (13) resistências elétricas; (14) lingoteira.

58

Figura 3.9– Detalhes dimensionais: (a) chapa molde (ou trocadora de calor) (b) lingoteira de aço inox

Fonte: : Acervo do GPMET/IFPA e do GPSol/UFPA.

(a)

(b)

59

Figura 3.10 - Desenho esquemático do conjunto chapa de resfriamento e lingoteira

Fo

universidade federal do parÁ instituto de tecnologia … · 2021. 2. 5. · aos meus pais,...

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