O estudo dos mecanismos de transferência de calor entre metal e molde através das soluções analítica, numérica e do MAGMA5, permitiu o entendimento do papel individual que cada componente exerce sobre o sistema térmico metal-molde. Através da aplicação das diferentes soluções para os dois pares metal-molde, ferro nodular (GJS-400)-areia verde e alumínio (AlSi12)-aço, foi possível avaliar de forma isolada a importância das propriedades físicas de cada material e de que forma elas influenciam na evolução do perfil de temperaturas do sistema metal-molde. O papel da interface na transferência de calor entre metal e molde também pôde ser avaliado de forma direta pela aplicação dos recursos da solução numérica.
A difusividade térmica é a propriedade física que exprime a forma como cada material responde a uma variação de temperatura e dela depende o modo como o sistema térmico metal-molde irá resfriar-se.
Quanto maior a difusividade térmica de um material, mais rápido este responderá às diferenças de temperatura sob as quais é submetido. Logo, para um molde, quanto maior a difusividade térmica do material que o compõe, maior será a taxa de resfriamento a qual a peça fundida será submetida e, consequentemente, menores os tempos de resfriamento do produto. Para o metal fundido, difusividades térmicas maiores também indicam maiores taxas de resfriamento devido à maior velocidade de penetração da frente de calor para o interior da peça. Como consequência, menores tempos de resfriamento serão observados.
A partir da solução analítica, conclui-se que o modelo do sólido semi-infinito pode ser usado apenas de forma orientativa na previsão do perfil de temperaturas tanto do metal quanto do molde. Os maiores desvios em relação aos resultados das soluções numérica e do MAGMA5 estão nas regiões próximas da
interface metal-molde durante os instantes iniciais do contato. A solução analítica representa de maneira mais adequada a transferência de calor entre metal e molde nos casos de menor a difusividade térmica do material em questão e nas regiões mais afastadas da interface, logo, nos casos onde as alterações na superfície levam mais tempo para se propagar para o interior do corpo. Dentre os materiais estudados, o perfil de temperaturas da
areia apresenta menores diferenças entre as soluções analítica e do MAGMA5, ao passo que o perfil de temperaturas para o alumínio apresentou maiores diferenças entras essas soluções.
Através dos resultados do método numérico para a transferência de calor entre metal e molde, conclui-se que no sistema ferro-areia, o molde em areia exerce uma resistência ao fluxo de calor muito maior do que a resistência oferecida pela interface e pelo metal. Por essa razão, a variação na espessura do gap produz pouco efeito no perfil de temperaturas do molde, porém, esse efeito ainda é maior do que aquele observado no perfil de temperaturas do metal.
As variações nas propriedades físicas dos materiais têm maior influência nas regiões mais afastadas da interface e durante os instantes iniciais do contato, tanto para o ferro quanto para a areia. Essa influência é mais acentuada no perfil de temperaturas do metal.
O coeficiente de transferência de calor interfacial, hi, aumenta com a redução da espessura do gap, aumenta com o aumento da temperatura do gap e aumenta com a redução da temperatura do ferro. Foram encontrados valores de hi para o
sistema ferro-areia que variam de 1283W/m2K até 273W/m2K. Esses valores estão de acordo com aqueles encontrados na literatura para esse mesmo par metal-molde.
A aplicação da solução numérica no par alumínio-aço mostrou que as resistências ao fluxo de calor oferecidas pelo metal, molde e interface têm valores próximos entre si e, portanto, têm pesos equivalentes na transferência global entre metal e molde. Nesse caso, o efeito da variação da espessura do
gap no perfil de temperaturas, tanto do metal como do molde,
não pode ser negligenciado. Esse efeito é maior no perfil de temperaturas do aço, que apresenta maiores diferenças de temperaturas entre as soluções sem resistência de contato e com espessuras de gap de 0,1mm, 0,25mm e 0,5mm.
A variações nas propriedades físicas dos materiais têm maior influência nas regiões mais afastadas da interface e durante os instantes iniciais do contato, tanto para o alumínio quanto para o molde em aço, porém essa influência é mais acentuada no alumínio.
O coeficiente de transferência de calor interfacial, hi, pode
ser considerado constante em relação à temperatura do metal e constante em relação à temperatura da interface, e aumenta com
a redução da espessura do gap. Os valores de hi encontrados
para o par alumínio-aço variam entre 560W/m2K e 123W/m2K e são mais baixos que os valores encontrados na literatura para esse mesmo par metal-molde.
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ANEXO A – PROPRIEDADES FÍSICAS EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Propriedades físicas em função da temperatura para a areia verde.
Figura 51 - Calor específico em função da temperatura, para a areia verde.
Fonte: o autor
Figura 52 - Densidade em função da temperatura, para a areia verde.
Figura 53 - Condutividade térmica em função da temperatura, para a areia verde.
Fonte: o autor
Propriedades físicas em função da temperatura para o ferro nodular (GJS-400-15).
Figura 54 - Calor específico em função da temperatura, para o ferro nodular (GJS-400-15).
Figura 55 - Densidade em função da temperatura, para o ferro nodular (GJS-400-15).
Fonte: o autor
Figura 56 - Condutividade térmica em função da temperatura, para o ferro nodular (GJS-400-15).
Propriedades físicas em função da temperatura para o aço comum (0,17%C; 1,6%Mn).
Figura 57 - Calor específico em função da temperatura, para o aço comum.
Fonte: o autor
Figura 58 - Densidade em função da temperatura, para o aço comum.
Figura 59 - Condutividade térmica em função da temperatura, para o aço comum.
Fonte: o autor
Propriedades físicas em função da temperatura para o alumínio (AlSi12).
Figura 60 - Calor específico em função da temperatura, para o alumínio (AlSi12).
Figura 61 - Densidade em função da temperatura, para o alumínio (AlSi12).
Fonte: o autor
Figura 62 - Condutividade térmica em função da temperatura, para o alumínio (AlSi12).