Efeito do Modo de Solidificação na Microssegregação

As evidências experimentais apresentadas no subitem anterior mostram que é possível utilizar a taxa de resfriamento para controlar o nível de microssegregação. No entanto, também foi verificado que esta taxa de resfriamento deve ser alterada algumas ordens de grandeza para modificar sensivelmente a severidade de microssegregação. Estas grandes alterações na taxa de resfriamento dificilmente podem ser conseguidas em um mesmo processo industrial de fundição158, o que muitas vezes descarta esta variável como parâmetro de controle da microssegregação nos processos usuais.

Em 1961 Clayton et al.34 mediram a taxa de microssegregação (Is = Cmax/Cmin) de Cr, Ni, Mn e Mo em lingotes de 50 kg de aço baixa-liga utilizando a microssonda eletrônica e notaram que Is poderia ser até 30% menor na zona colunar do que na zona equiaxial. Com a intenção de eliminar efeitos da taxa de resfriamento, que poderiam estar sobrepostos ao efeito da alteração do modo de solidificação, eles mediram Is nas zonas colunar e equiaxial próximas à região de transição e o mesmo resultado foi obtido. Isto lhes permitiu concluir que a microssegregação nas dendritas colunares era menor do que aquela nas dendritas equiaxiais. A mudança de estrutura dendrítica aparece, então, como uma alternativa no controle da microssegregação. Então é necessário conhecer muito bem os mecanismos de formação das zonas colunar e equiaxial para se manipular a estrutura como desejado.

Doherty e Melford45 mediram a taxa de microssegregação (Is) e o coeficiente de partição efetivo (Keff = Cmin/Co) de Cr em diversas posições em relação à superfície de lingotes da liga Fe-1%C-1,5%Cr e notaram que estes índices mostravam uma microssegregação menor na zona colunar do que na zona equiaxial, como mostra a figura 10.

Nesta figura os índices de microssegregação indicam uma transição clara entre as regiões colunar e equiaxial. Além disso, os autores notaram que a região equiaxial continha carbonetos enquanto a região colunar não, apesar de não observarem nenhum tipo de macrossegregação. Estes autores mudaram o superaquecimento do metal líquido de 0 oC para 120 oC e verificaram que a transição colunar-equiaxial se aproximara da superfície do lingote e com ela, também a transição nos índices de microssegregação. Estes resultados indicam que o efeito da temperatura de superaquecimento na microssegregação é indireto e que a variável importante é, na verdade, o modo de solidificação.

Doherty e Feest59 estudaram lingotes de 1 kg da liga Cu-40%Ni obtidos em três superaquecimentos diferentes (10oC, 80oC e 180oC) e mediram Is e Keff em função da distância à superfície do lingote. Os resultados foram análogos aos de Doherty e Melford45, ou seja, foi observada uma menor microssegregação na zona colunar do que na zona equiaxial. Novamente existia uma clara transição nos valores dos índices de microssegregação na passagem da zona colunar para equiaxial e a alteração da temperatura de superaquecimento, que movia a posição da região de transição colunar-equiaxial, também movimentava a posição de transição nos índices de microssegregação.

Figura 10 - Taxa de microssegregação (Is) e coeficiente de partição efetivo (Keff) para o cromo medidos em função da distância à superfície de um lingote da liga Fe-1%C-1,5%Cr45.

Philibert e Beaulieu19 em ligas binárias, ternárias e quaternárias de ferro, Kohn e Philibert20 em ligas Al-Cu, Philibert et al.36 em aços, Doherty e Melford45 em ligas Fe-C-Cr notaram a presença de um patamar bem definido de concentração de soluto no corpo de dendritas equiaxiais. Estas amostras foram solidificadas a taxas de resfriamento que variavam de 0,07oC/s a 3 oC/s e o espaçamento médio entre os braços de dendrita estava em uma faixa de 300 a 1000 µm. Feest77

Kohn e Philibert20, realizando análises térmicas e solidificação interrompida de ligas Cu-Ni77 e Al- Cu20, notaram uma relação entre os patamares de concentração e patamares de temperatura presentes nas curvas de análise térmica. Observou-se que grande parte do esqueleto dendrítico se formava a uma mesma temperatura e, portanto possuía uma mesma composição. Feest77 mostrou, ainda, grandes evidências de que, quando a temperatura se encontra no patamar, há uma camada de líquido enriquecida junto à interface sólido-líquido semelhante à existente no estado estacionário do processo de crescimento de cristais. Kohn e Philibert20 também concordam com esta observação. Os trabalhos de Thresh et al.159 , Kattamis e Flemings22 e Weinberg e Teghtsoonian25 , que mediram perfis de concentração de soluto através de braços primários e secundários de dendrita, parecem indicar que o patamar de concentração observado claramente nas dendritas equiaxiais não aparece nas dendritas colunares.

Doherty e Melford45 sugerem, então, que a diferença entre a microssegregação das dendritas colunares e equiaxiais está na presença, ou não, deste patamar de concentração. Na opinião dos autores este patamar é gerado por um acúmulo de soluto no líquido junto à parede da dendrita, causando um tipo de estado estacionário. Logo, se a concentração deste patamar for menor que a concentração média de soluto, quanto maior for a sua extensão, maior será o acúmulo de soluto no líquido, resultando em uma maior microssegregação. Os autores45 propoem, em concordância com Melford e Granger160, que, no caso do crescimento colunar, a formação de uma camada enriquecida de soluto não deve aparecer, pois há interação entre os campos de soluto de dendritas vizinhas logo no início da solidificação. Isto resultaria em um perfil de concentração do tipo dado pela equação de Scheil6, sem a presença do patamar. Já as dendritas equiaxiais devem flutuar livres no líquido e deve existir uma maior distância entre dendritas vizinhas, o que facilita a existência de uma camada enriquecida no líquido junto à parede dendrítica. Finalmente estas dendritas devem se interceptar com a evolução da solidificação e o campo de soluto entre os sólidos interagir, resultando em um trecho do perfil do tipo dado pela equação de Scheil. Este modelo foi chamado de “duplex” 45.

Doherty e Melford45 e Doherty et al.161 mencionam que provavelmente as dendritas equiaxiais crescem em uma temperatura maior do que as dendritas colunares, portanto a velocidade de crescimento das dendritas equiaxiais é menor. Flemings158 também comenta este aspecto mostrando que a velocidade da isoterma liquidus, que é aproximadamente igual à velocidade das dendritas colunares, pode ser muito maior que a velocidade das dendritas equiaxiais. Logo, se dendritas colunares crescem a velocidades maiores, também devem apresentar um maior acúmulo de soluto na ponta do seu braço primário, resultando em uma menor microssegregação.

Larén e Fredriksson86 observaram que há uma maior concentração de soluto em regiões entre grãos de dendritas equiaxiais do que entre seus braços e que este efeito não ocorre nas dendritas colunares. Os autores sugeriram que a maior microssegregação nas dendritas equiaxiais do que nas colunares pode ser o resultado de uma maior dificuldade de homogeneização durante a

solidificação do soluto presente entre grãos, que estão separados por uma distância maior do que o espaçamento entre seus braços secundários.

Pode-se notar que ainda não existe nenhuma investigação mais profunda e convincente das causas verdadeiras de uma microssegregação mais acentuada nas dendritas equiaxiais do que nas colunares. Porém, há um consenso de que o efeito do modo de solidificação existe.