Processo de solidificação

A solidificação de um metal quando vazado na respetiva cavidade da moldação é uma fase importante no processo de fundição influenciando muito a qualidade e o rendimento do produto.

Durante o arrefecimento existem três tipos de contração a que o metal está sujeito dentro da moldação desde o estado líquido até ao final da solidificação. Existe a contração no estado líquido, que toma lugar no metal líquido até ao início da formação da fase sólida, a contração de solidificação, que ocorre até à extinção da fase líquida e a contração sólida, que resulta do arrefecimento do metal no estado sólido, visível na Figura 63 [43].

Figura 63 - Diferentes tipos de contração durante o arrefecimento do metal [43].

A contração líquida é relativamente pequena, não sendo uma etapa significativa para a qualidade final da peça e o fluxo de metal líquido é garantido pelo excesso de material presente no sistema. Podendo desta forma assegurar que o volume de material necessário para preencher a cavidade da moldação, está efetivamente presente no sistema e disponível para suprir qualquer ligeira contração.

A contração de solidificação, entre as temperaturas liquidus (TL) e solidus (TS), apresenta-se mais

problemática no que toca à possibilidade de induzir defeitos de importância crítica na peça fundida, como por exemplo, rechupes. Este tipo de defeitos tem a sua origem numa compensação incompleta da contração volúmica decorrente da mudança de fase do estado líquido para o sólido, levando à criação de vazios na peça. Estes vazios ocorrem em função do gradiente de densidades existente entre o metal líquido e o metal no estado sólido, pois após a solidificação, obtém-se uma estrutura mais compacta e consequentemente mais densa que a do líquido. Atualmente é possível estimar com rapidez quais as zonas propícias à ocorrência de defeitos derivados da contração volúmica, como rechupes, através de softwares de simulação de fundição.

A capacidade de se desenvolver uma solidificação direcional sustentada depende em grande parte da forma como a liga solidifica. Do ponto de vista de fundição, especialmente da gama de temperaturas de solidificação, as ligas de cobre para fundição podem ser divididas em três grupos [26]:

 Ligas de grupo 1 - ligas que têm uma gama de temperatura de solidificação de 50 ºC entre o estado líquido e sólido. Neste grupo estão incluídos os latões amarelos, bronzes de alumínio e manganês, bronzes de níquel, bronzes de manganês e o cobre.

 Ligas de grupo 2 - ligas que têm uma gama de temperatura de solidificação entre 50 ºC e os 110 ºC entre o estado líquido e sólido. Neste grupo estão incluídos os bronzes de silício, latões de silício, ligas de cobre-berílio e ligas de cobre-níquel.

 Ligas de grupo 3 - ligas que têm uma ampla gama de temperatura de solidificação, entre os 110 ºC e os 170 ºC. Neste grupo estão incluídos os latões vermelhos, bronzes de estanho e bronzes de estanho com alto teor de chumbo.

Segundo AMS [16], os bronzes de alumínio pertencem ao grupo 1, descrito acima. Estas ligas são consideradas ligas de alta contração devido ao gradiente de densidades entre o estado sólido e líquido ser grande. Nesta liga ocorre uma solidificação em "pele".

A solidificação de uma liga não eutéctica, que é o caso da liga em estudo, inicia-se junto às paredes da moldação, formando-se uma estrutura cristalina que cresce rapidamente com orientação lateral e para o interior da moldação, após ligadas lateralmente formam uma frente de solidificação, vulgarmente designada por "pele da peça". A frente dos cristais solidifica de fora para dentro, perpendicularmente às paredes da moldação, não avançando muito mais depressa do que a base destes. Devido à presença de elementos ligantes ou impurezas, esta frente de avanço é um pouco rugosa sendo que os cristais crescem de uma forma dendrítica. Esta frente de avanço dos cristais tende a unir-se mantendo o metal líquido em contacto completo com o já solidificado. Esta solidificação progressiva destas ligas promove o desenvolvimento de uma solidificação direcionada ao longo de todo a gama de solidificação. Na Figura 64 é apresentado, de forma esquemática, o modo de solidificação destas ligas [12], [16].

Figura 64 - Representação esquemática do modo de solidificação de uma liga com um curto intervalo de solidificação, adaptado de [12].

O cobre puro tem a tendência de formar rechupes fundos e simétricos, como é visível na Figura 65. No caso da liga utilizada neste trabalho, devido à presença de elementos de liga, estes rechupes apresentam menos simetria e as paredes enrugadas, efeito designado de "hill-and-valley".

Figura 65 - Representação esquemática da formação de rechupe ao longo da solidificação de uma liga do grupo 1, adaptado de [16].

Nas ligas do grupo 1, quando não alimentadas corretamente, a tendência à formação de rechupes na linha central da peça aumenta, como indicado na Figura 66.

Figura 66 - Configuração de microrechupes típicos de ligas do grupo 1, ligas que solidificam em "pele" [13].

Estes rechupes formam-se devido à contração de metal solidificado não compensado com metal líquido, provocando vazios nas regiões que arrefecem por último, designadas de pontos quentes. Para que estes vazios fiquem fora da geometria da peça é necessário controlar o padrão de solidificação e dos gradientes térmicos. Para se proceder ao controlo destes, são normalmente utilizados alimentadores, pequenos reservatórios ligados à peça nos quais o metal deverá permanecer líquido durante todo o processo de solidificação, assegurando a alimentação da peça nos locais onde existiria maior probabilidade de aparecimento de rechupes ou falta de material. Para que o alimentador cumpra a sua função, é necessário que o seu tempo de solidificação seja superior ao da peça. O tempo de solidificação da peça pode ser calculado através da regra de Chvorinov, apresentada na equação (2.17).

Onde:

 Kc - constante característica da liga, do sobreaquecimento e do material da moldação;

 V - volume da peça;

 S - superfície da peça em contacto com a superfície de extração de calor.

O valor de Kc pode ser calculado através da equação (2.18) [3].

(2.18)

Onde:

 ρ' - massa específica do metal;  α - difusividade térmica da moldação;  Ce - calor específico médio do metal vazado;

 Tv - temperatura de vazamento;

 Tl - temperatura de início de solidificação do metal;

 Cl - calor latente de fusão do metal;

 K - condutibilidade térmica da moldação;  Tim - temperatura da interface metal/moldação;

 T0 - temperatura inicial da moldação.

É necessário garantir algumas condições de forma a que o tempo de solidificação do alimentador seja superior ao da peça, tais como:

 Livre circulação do metal líquido entre o alimentador e a última zona da peça a solidificar;  Forças de pressão que conduzam o metal líquido do alimentador no sentido da peça;

 Volume de metal líquido do alimentador seja suficiente para compensar a contração da peça durante a solidificação sem se esgotar.