Parâmetros de Solidificação

O caminho contrário ao da fusão é conhecido por solidificação e é dado como sendo a mudança do estado líquido para o estado sólido. Essa mudança tem início com o aparecimento de pequenas partículas de uma nova fase sólida, que crescem até que se forme um sólido por completo. O aparecimento e o crescimento posterior

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dessas partículas sólidas caracterizam o modo de formação da micro e macroestrutura em metais e ligas metálicas em momentos sucessivos de tal modo que aspectos cinéticos, térmicos, químicos e termodinâmicos estão fortemente relacionados (BIRRU et al., 2015).

A cinética de solidificação de metais envolvida nos processos de fundição pode ser definida como um processo dinâmico de extração de calor em regime transitório, com mudança de fase, no qual certa quantidade de energia térmica deve ser transferida, através do molde, da fase líquida para o meio ambiente para possibilitar a nucleação e crescimento da fase sólida. A eficiência da extração de calor durante o processo depende basicamente das propriedades térmicas do metal, das características do molde (material, geometria e espessura de parede), das condições da interface do conjunto “metal-molde” (contato térmico) e das características do meio que vai absorver calor, como a água ou o ar (MELO; RIZZO; SANTOS, 2005).

A Figura 3.2 ilustra, de maneira didática, a evolução estrutural de uma liga metálica durante o processo de solidificação unidirecional, similar ao utilizado neste trabalho. Na figura são identificados: VS = velocidade de deslocamento da isoterma

Solidus, VL = velocidade de deslocamento da isoterma Liquidus, região do metal em

estado semi-sólido, onde acontece o super-resfriamento constitucional, o sentido do fluxo de calor provocado pela troca térmica por convecção e a direção e sentido da solidificação, junto com o deslocamento da isoterma Liquidus.

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Garcia, 2007.

A velocidade de solidificação refere-se ao deslocamento da interface sólido/semi-sólido (líquido) com relação ao tempo. No processo de solidificação unidirecional, a velocidade do deslocamento da interface sólido/líquido é determinada através da derivada dessa função, de acordo com a Equação (3.1):

SL L

dt

dP

V 

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

dP = Deslocamento da frente de solidificação ou isoterma Liquidus [mm], dtSL = Intervalo de tempo em que a frente de solidificação se deslocou [s].

Ao longo da solidificação transiente ocorre a diminuição de VL para as posições

mais afastadas da superfície de extração de calor devido ao crescente aumento da resistência térmica da camada solidificada (BOEIRA; FERREIRA; GARCIA, 2006).

O gradiente térmico (GTL) à frente da interface de solidificação é o diferencial

de temperatura que existe entre a interface já solidificada e o metal semi-sólido logo a frente dessa interface pela diferença de posição (mm). Sua determinação experimental pode ser feita através da diferença de temperatura, entre dois determinados pontos, relacionada com a distância desses pontos, como na Equação (3.2):

dP

dT

G



onde: GTL = Gradiente térmico local à frente da interface de solidificação [ºC/mm],

dT = Variação de temperatura [ºC], dP = Diferença de posição [mm].

A taxa de resfriamento (



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tempo, ou seja, quando o calor está sendo extraído da peça em um determinado instante da solidificação, podendo ser determinada pela Equação (3.3) (GARCIA, 2007):

dt

dT

T 

onde: T = Taxa de resfriamento [ºC/s], dT = Variação da temperatura [ºC], dt = Variação do tempo [s].

Dentro da técnica e da metodologia de fundição de metais, os principais parâmetros afetados pelo processo de transferência de calor durante a solidificação (Figura 3.3) são as velocidades, os gradientes térmicos e as taxas de resfriamento, e consequentemente, os tempos de solidificação e os perfis térmicos no metal e no molde. O conhecimento de tais parâmetros é importante para o controle da estrutura final, que influi diretamente nas propriedades, já que os mesmos afetam, por exemplo, a redistribuição de soluto e a morfologia da interface sólido-líquido (GARCIA, 2005).

A taxa de resfriamento até o início de solidificação determina o número total de núcleos ativos que podem crescer. Quanto maior for a taxa de resfriamento, maior será o número de núcleos e maior o refinamento da microestrutura. A velocidade de

solidificação (VL), o gradiente de temperatura (GL), e a taxa de resfriamento ( 

T ) são os parâmetros térmicos mais importantes e que regem a morfologia e a formação de estruturas solidificadas (BOEIRA; FERREIA; GARCIA, 2006). Na Figura 3.3 pode-se observar o efeito causado pela variação da taxa de resfriamento sobre a morfologia da interface líquido/sólido em uma liga de alumínio: a) interface plana; b) interface celular; c) interface colunar e d) interface dendrítica. No caso do exemplo para a solidificação unidirecional de um lingote no interior do molde, este efeito sobre a morfologia da interface ocorre com um GL = 3,0ºC/mm, em função da taxa de

resfriamento, do tempo de deslocamento da interface Solidus/Liquidus, e o consequente avanço da solidificação (SHI et al., 2015).

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Figura 3.3. Formação dos diferentes tipos de interfaces de solidificação. Fonte: SHI et al., 2015.

Ao analisar-se o processo de solidificação, pode-se observar que o comportamento da velocidade de deslocamento da isoterma Liquidus, a taxa de resfriamento e o gradiente de temperatura diminuem com o avanço da solidificação, isto é, quanto mais afastados da base resfriada menores são os valores de VL,



T e

GL. Isto pode ser explicado pelo aumento da resistência térmica à extração de calor

por condução ao longo do processo de solidificação, devido ao aumento do volume do metal solidificado no molde (ROSA, 2007).

Análises de curvas de resfriamento fornecem informações sobre a composição da liga, calor latente de solidificação, evolução da formação da fração sólida, quantidade e tipos de fase que se solidificam, e coesão dendrítica. Há também muitos outros usos para a análise de curvas de resfriamento, tais como determinar os espaçamentos dos braços dendríticos, e grau de modificação e refino de grãos em ligas de alumínio. O uso de curvas de resfriamento para controles de processo de fundição é muito importante para os materiais de fundição, tanto para ligas de alumínio quanto para qualquer outro metal, como os ferros fundidos, por exemplo, (LIMA, 2014).