ESTUDO COMPARATIVO DA INFLUÊNCIA DA CONVECÇÃO FORÇADA NA FORMAÇÃO DA ZONA EQUIAXIAL DO ALUMÍNIO, ZINCO E DAS LIGAS
EUTÉTICAS Al-33Cu E Zn-5Al.
Otávio Fernandes Lima da Rocha[ 1 ], João Lobo Peralta[ 1 ], Antonio Luciano Seabra
Moreira[ 2 ]
[ 1 ] – Prof. do Curso de Metalurgia e Materiais do Centro Federal de Educação Tecnológica do Pará – CEFET-PA
[ 2 ] – Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Tecnológico-CT da Universidade Federal do Pará – UFPA
e-mail: orocha@amazon.com.br/orocha@fem.unicamp.br/jlperalta@fem.unicamp.br
Resumo
Os processos de fabricação de peças baseados na solidificação de metais vêm sendo aplicados há milênios pelo homem tendo sido desenvolvidos naturalmente de forma empírica e mantidos nessa sistemática até a primeira metade do século XX. No entanto, a crescente utilização de novos processos de fundição utilizados na produção de peças de maior precisão, complexidade e, sobretudo, o emprego cada vez maior da automação nos mesmos, tem exigido o desenvolvimento de métodos de análise mais elaborados que possibilitem um controle mais preciso. Logo, ao solidificar, a estrutura de um metal pode apresentar características bem distintas que dependem das condições impostas pela cinética do fenômeno de solidificação que, controladas, permitem estimar determinadas propriedades para as peças fundidas. Assim, este trabalho apresenta como principal objetivo um estudo experimental comparativo sobre a influência da convecção forçada na formação da zona equiaxial central do alumínio, zinco e das ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al a partir de mesmas condições iniciais de solidificação. Para tanto, o metal líquido foi submetido ao borbulhamento do gás inerte hélio com vazões de zero, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 e 1,0 l/min. Os resultados encontrados, nas referidas condições, demonstram um comportamento bastante diferente para as ligas analisados.
1. INTRODUÇÃO
Ao longo da história evolutiva da civilização humana, um importante marco no seu desenvolvimento que proporciona uma elevação na qualidade de vida é o conhecimento de novos materiais, suas propriedades e aplicações. No caso dos materiais metálicos, um dos mais antigos processos convencionais de fabricação é a fundição, ou seja, a conformação utilizando a solidificação. Este processo consiste no vazamento do metal no estado líquido em um molde que lhe confere uma forma e através do qual é extraído o calor, para o meio ambiente, possibilitando a solidificação. As primeiras pesquisas sistemáticas sobre este fenômeno foram incentivadas pela sua crescente utilização e desenvolvimento de novos processos, o que tornava inadequado o estabelecimento dos mesmos, a partir de métodos impíricos. A maioria das definições técnicas encontradas no processo de fundição é bastante simples. A complexidade do conhecimento básico do mesmo somente aparece quando se investiga uma explicação quantitativa e fenomenológica dos vários problemas existentes o que leva a crer que, o conhecimento necessário para compreender como são ou podem ser obtidos os produtos fundidos, é conseguido a partir do estudo de processos em termos de conceitos científicos ou tecnológicos (Quaresma, 1999; Wang, 1996; Appolaire, 1997; Vives, 1996). Assim, por exemplo, ao solidificar, um metal pode apresentar três zonas estruturais distintas conhecidas como zona coquilhada, zona colunar e zona equiaxial central que podem conferir ou interferir em determinadas propriedades do mesmo. A utilização de estruturas compostas de grãos equiaxiais é importante uma vez que os mesmos elevam o índice de isotropia do material proporcionando, assim, propriedades superiores. Para a obtenção das respectivas estruturas, entretanto, tornar-se necessário suprimir durante o processo de solidificação o crescimento de grãos colunares através de mecanismos favoráveis à formação de núcleos equiais. Diversos trabalhos desenvolvidos (Southin, 1968; Pontes, 1982; Rocha, 2000; Siqueira , 2000), demonstram que os efeitos promovidos pela convecção forçada, ativados mecanicamente no líquido que solidifica, contribuem para a ativação de mecanismos formadores de grãos finos equiaxiais. Contudo, os citados autores se restringiram a estudar e comparar o referido método para uma pequena quantidade de materiais, na maioria puros. Logo, este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um estudo comparativo da influência de cinco vazões do gás argônio na formação da zona equiaxial
central do alumínio, zinco e das ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al, vazados a partir de suas respectivas temperaturas de fusão.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foram utilizados nos experimentos dois materiais puros Al e Zn e duas ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al, cujas composições químicas encontram-se apresentadas nas Tabelas 1, 2, 3 e 4. A lingoteira apresentava as seguintes características feita em aço 1010, de geometria cilíndrica, com espessura de 5mm, 63 mm de diâmetro interno e 110 mm de altura, cujas propriedades termofísicas constam na Tabela 5. A convecção forçada foi obtida através de injeção de gás argônio, constituído de cilindro de alta pressão, regulador de pressão, rotâmetro e tubo de injeção de aço inoxidável de 3 mm de diâmetro interno. A profundidade do tubo injetor foi determinada em função da altura do rechupe, a qual garantiu o completo borbulhamento do gás em toda a massa líquida. O sistema completo de injeção de gás inerte encontra-se esquematizado na Figura 1.
Tabela 1. Composição química do alumínio (%) (Fabricação Albras) (Rocha, 1998).
Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn B outros
99,7 0,061 0,174 0,003 0,001 0,002 0,001 0,004 0,007 0,001 balanço
Tabela 2. Composição química da liga eutética Al-33Cu (%) (Rocha, 1998).
Al Cu outros
66,8 32,8 balanço
Tabela 3. Composição química do zinco (%) (Peralta, 1998).
Zn Pb Fe Cu Cd Sn
99,99 0,0021 0,0012 0,0009 0,0003 0,0002
Tabela 4. Composição química da liga eutética zinco Zn-5Al (%) (Peralta, 1998).
Zn Al outros
94,87 4,81 balanço
Tabela 5. Propriedades termofísicas da lingoteira de aço 1010 (Quaresma, 1997) .
Propriedades k ( W/mK ) c ( J / kgK ) ρρρρ ( kg / m )
Adotaram-se no ensaio 5 (cinco) diferentes vazões de gás (0,2, 0,4, 0,6, 0,8, e 1,0 l/min) e superaquecimento nulo. O experimento consistiu na obtenção dos lingotes resultantes para cada vazão. Em seguida, os mesmos foram submetidos aos processos de usinagem com cortes transversais e de preparação de superfície para análise metalográfica a fim de obtenção das macro e microetruturas de solidificação, para avaliação da porcentagem de zona equiaxial formada e diâmetro médio de grãos. A porcentagem da zona equiaxial foi obtida através de rigorosa medição da área da zona em questão formada em relação à área total do lingote (Rocha, 1998; Peralta, 1998). O diâmetro médio do grão foi medido conforme especificação recomendada pela norma NB-1323 da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. A região determinada nos lingotes resultantes para a retirada dos corpos de prova para verificação microestrutural encontram-se esquematizados na Figura 2. Os reagentes químicos utilizados para a revelação das estruturas foram determinados experimentalmente pelos autores deste trabalho (Rocha, 1998; Peralta, 1998).
Figura 1 – Esquema do sistema completo de injeção de gás inerte.
Figura 2 – Representação esquemática da região da análise microestrutural.
3. RESULTADOS OBTIDOS
As curvas apresentadas pela Figura 3 (a) e (b) mostram, respectivamente, o comportamento da porcentagem de zona equiaxial formada em função da vazão do gás inerte para o alumínio e o zinco. Nota-se, através da Figura 3 (a), a forte influência da convecção forçada provocada pelo borbulhamento do gás na massa líquida do alumínio para a formação da zona equiaxial central, quando comparada com a peça que não sofreu injeção, comprovada pela evolução da curva que representa as variações de vazão de gás de zero a 1,0 l/min. No entanto, observa-se que a elevação gradativa da vazão não implica necessariamente no aumento da zona equiaxial central, conforme o comportamento da curva média obtida para as vazões de 0,2 a 1,0 l/min. Por outro lado, verifica-se para o caso do zinco, que o crescimento progressivo da vazão de gás influencia fortemente na diminuição da zona equiaxial, conforme o comportamento da curva média representada pela variação da vazão de 0,2 a 1,0 l/min. Tal fato pode ser justificado pela intensa presença de grãos colunares no lingote correspondente à vazão de 1,0 l/min a qual proporciona uma elevada taxa de estração de calor possiblitando a formação de uma casca sólida na interface metal/molde favorecendo, desta forma, a inibição da zona equiaxial central, efeito não previsto nas teorias até hoje propostas para a constituição desta zona.
(a ) ( b ) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Al puro TV = 660 o C vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min Zo na equi axi al ce n tr al ( % ) Vazão (l/min) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Zn puro TV = 420 o C
vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min
Figura 3 – Relação da porcentagem de zona equiaxial formada em função da vazão do gás argônio para os materiais puros alumínio (a) e zinco (b).
No caso das ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al, observa-se pelas curvas apresentadas na Figura 4 (a) e (b) que o efeito do borbulhamento promovido pelo gás inerte não constitui uma fonte ativadora dos mecanismos de formação da zona equiaxial central para os materiais em questão. Nota-se pela figura 4 (a) que o aumento gradativo da vazão promove inicialmente uma diminuição da porcentagem da zona equiaxial central para a liga Al-33Cu, o que pode ser explicado pelo fato da convecção forçada proporcionar um aumento da taxa de extração de calor ativando os mecanismos de formação da zona colunar e inibindo, desta forma, o efeito do cobre como inoculante de grãos equiaxiais. Para o caso da liga Zn-5Al, verifica-se que a variação da vazão do gás não influencia na formação da zona estrutural em questão. A curva média representativa mostrada para vazões de 0,2 a 1,0 l/min (figura 4 b), descreve estes resultados.
De maneira geral, o que se observa através dos resultados obtidos neste trabalho, é que o efeito da convecção forçada provocada pelo borbulhamento do gás inerte agiu somente como potente formador da zona equiaxial central para o caso do alumínio. Nos demais materiais interferiu de forma inibidora à formação da referida zona, casos da liga Al-33Cu e do zinco, ou pouco influenciou na estrutura do material, caso da liga Zn-5Al.
(a ) ( b ) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Al-33Cu TV = 548 o C
vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min Zona eq ui axi al cent ra l ( % ) Vazão (l/min) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Zn-5Al TV = 382 oC
vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min
Figura 4 – Relação da porcentagem de zona equiaxial formada em função da vazão do gás argônio para os eutéticos Al-33Cu (a) e Zn-5Al (b).
A Figura 5 mostra, de forma comparativa, os resultados da porcentagem de formação da zona equiaxial central para os quatro materiais analisados anteriormente.
Figura 5 – Curvas comparativas da porcentagem de formação da zona equiaxial em função da vazão do gás inerte para o alumínio, zinco e os eutéticos Al-33Cu e Zn-5Al.
Apesar de não ser objetivo deste trabalho analisar dimensão do grão em função da convecção forçada, a Figura 6 apresenta, para efeito de comparação, a influência da vazão do gás no tamanho de grão do alumínio e zinco. Observa-se, então, para o caso do alumínio, Figura 6 (a), a forte influência do borbulhamento do gás como potente refinador de grão em relação à peça sem borbulhamento de gás, no entanto, nota-se que o aumento gradativo da vazão não influência o tamanho do grão do referido material. Por outro lado, observa-se pelos resultados alcançados para o zinco, mostrados na figura 6 (b), que a convecção forçada proporcionada pela injeção do gás, não atua como um agente refinador de grão, contrariando trabalhos anteriores (Pontes, 1980, Southin, 1963) os quais generalizam o efeito do borbulhamento do gás inerte como processo mecânico de refino de grão.
As Figuras 7 e 8 apresentam, respectivamente, algumas macroestruturas obtidas para o alumínio e o zinco, onde verifica-se que para o alumínio a convecção forçada favorece tanto a
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
vazão: zero a 1,0 l/min
Al puro Al-33Cu Zn puro Zn-5Al Zona eq ui axi al ce n tr al ( % ) Vazão (l/min)
formação da zona equiaxial como a diminuição do tamanho do grão. Este efeito não foi observado para o zinco.
( a ) ( b )
Figura 6 - Variação do tamanho médio do grão do alumínio e do zinco em função da vazão do gás inerte.
( a ) ( b )
Figura 8 – Macroestruturas de solidificação do alumínio vazado sem injeção de gás (a) e com vazão de 1,0 l/min (b) (60% de redução).
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 Zn puro TV = 420 oC
vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min Di âm et ro m édi o do gr âo ( µµµµ m) Vazão (l/min) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Al puro TV = 660 oC
vazão: zero a 1,0 l/min vazão: 0,2 a 1,0 l/min Di âm et ro m édi o d o g rão ( m m ) Vazão (l/min)
( a ) ( b )
Figura 9 – Macroestruturas de solidificação do zinco vazado sem injeção de gás (a) e com vazão de 1,0 l/min (b) (60% de redução).
4. CONCLUSÕES
A convecção forçada proporcionada pelo borbulhamento do gás inerte constitui para o alumínio importante fonte para a formação da zona equiaxial bem como na eficiência do nível de refino de grão. Os resultados obtidos para o alumínio, em todas as condições de solidificação adotadas, encontram-se de acordo com outros trabalhos anteriores pois os mesmos demonstram, através de seus resultados, a grande influência da convecção forçada provocada pela injeção de gás inerte no aumento do nível de refino e na formação da zona estrutural equiaxial. No caso da solidificação dos outros materiais, os resultados obtidos mostram um comportamento completamente contrário àqueles obtidos para o alumínio comercialmente puro pois quando os mesmos são submetidos ao borbulhamento do gás inerte, nas mesmas condições, a convecção forçada não constitui uma fonte importante à formação da zona equiaxial, pois a mesma inibi a formação da referida zona. Assim sendo, podemos concluir através dos resultados alcançados neste trabalho que a eficiência do borbulhamento promovido pela injeção de gases inertes pode não ser inquestionável contrariando, desta forma, trabalhos anteriores. Finalmente, podemos concluir, que algumas teorias propostas anteriormente e universalmente aceitas, baseadas no princípio mecânico da convecção forçada, que visam justificar a formação da zona equiaxial e a diminuição do tamanho do grão não são genéricas, ou seja, podem ser restritas somente a certos materiais submetidos a condições específicas de solidificação.
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COMPARATIVE STUDY ON THE INFLUENCE OF FORCED CONVECTION IN THE FORMATION OF EQUIAXIAL ZONE OF ALUMINUM, ZINC AND OF
EUTECTIC ALLOYS Al-33Cu AND Zn-5Al
The manufacture processes based on the solidification of metals have been applied there are century by the man having been developed naturally in an empirical way and maintained in this systematic one until the first half of the century XX. However, the increasing use of new foundry processes used in the production of pieces with great precision, complexity and above all the employment of the automation in the same ones, have required the development of elaborated analysis methods that facilitate a best control. Therefore, when solidifying, the structure of a metal may present characteristics very different that depend on the conditions imposed by the solidification phenomenon kinetics that, controlled, allow to estimate certain properties for the matereal. Thus, this work presents as main objective a comparative experimental study of forced convection influence in the formation of the equiaxial zone of aluminum, zinc and of eutectic alloys Al-33Cu and Zn-5Al starting from same initial conditions of solidification. For so much, the liquid metal was poured out in the melting temperatures of each material and submitted to the bubbling of an inert gas with flow zero, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 and 1,0 l/min. The found results in referred conditions demonstrate different behavior for the analyzed materials.
