UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
CARLOS HENRIQUE URSULINO GOMES
EFEITO DO SUPERAQUECIMENTO E DA DIREÇÃO DO CRESCIMENTO NA TRANSIÇÃO COLUNAR EQUIAXIAL DA LIGA Al-5.5%Si -3%Cu
SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
BELÉM-PA 2015
CARLOS HENRIQUE URSULINO GOMES
EFEITO DO SUPERAQUECIMENTO E DA DIREÇÃO DO CRESCIMENTO NA TRANSIÇÃO COLUNAR EQUIAXIAL DA LIGA Al-5.5%Si -3%Cu
SOLIDIFICADA DIRECIONALMENTE
Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Industrial do Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará. Área de concentração Processos de Fabricação. Orientador: Prof. Dr. Otávio Fernandes Lima da Rocha.
BELÉM-PA 2015
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por permitir a realização de mais um sonho.
Aos meus familiares pelo incentivo, paciência e compreensão em todos os momentos.
Ao meu orientador Prof. Dr. Otávio Fernandes Lima da Rocha pela orientação, ensinamentos e incentivo.
Aos professores do PPGEI, pelo ensinamento e conhecimento adquirido nesses mais de dois anos que irão valer para toda vida.
À Universidade Federal do Pará, pela oportunidade de participar do programa de mestrado e concluí-lo com sucesso e, de poder nessa nova caminhada, reencontrar colegas e construir novas amizades.
Ao Instituto Federal de educação, ciência e tecnologia do Pará IFPA, pelo apoio, especial agradecimento ao aluno Rafael Hideo Kikuchi pela sua amizade e, sobretudo, pelo apoio durante a realização dos experimentos.
Aos colaboradores do Laboratório de Metalurgia da UFPA, pela amizade e apoio técnico, especial agradecimento ao aluno André Santos Barros pela sua amizade e, sobretudo, pelo apoio durante o processamento dos resultados.
A meus colegas desse mestrado e aos demais que, indiretamente, fizeram parte dessa conquista, o meu sincero obrigado.
RESUMO
As ligas de fundição do sistema ternário Al-Cu-Si têm um papel fundamemetal na indústria metal/mecânica. Essas ligas apresentam excelente fluidez, alta resistência mecânica e baixo peso, o que as tornam uma escolha adequada como ligas de fundição, sendo amplamente aplicadas na indústria automotiva e aeroespacial. Tais características e o elevado grau de destaque dessas ligas no campo científico e tecnológico têm despertado o interesse de pesquisadores para o desenvolvimento de trabalhos que visam à investigação da evolução macroestutural e microestrutural e correlações com propriendaes mecânicas. Nesse sentido, o presente trabalho visa investigar os efeitos combinados do superaquecimento e da convecção natural na transição colunar/equiaxial (TCE) da liga Al-3%Cu-5,5%Si. A TCE foi correlacionada com as varáveis térmicas de solidificação tais como velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), gradiente
de temperatura (GL) e taxa de resfriamento (TR). Três superaquecimentos foram
assumidos para obtenção das macroestruturas de solidificação da liga multicomponente investigada. Os lingotes resultantes foram obtidos por um dispositivo de solidificação direcional horizontal refrigerado à água. Análises térmicas foram realizadas para determinar as variáveis VL, GL e TR. A fim de analisar os efeitos dos elementos silício e
cobre e da direção de crescimento na ocorênia da TCE, comparações entre os resultados deste trabalho com os da literatura também foram desenvolvidas. A obervação das macroestruras revelaram que a ação combinada do superaquecimeno com a convecção natural favorece a ocorrência da TCE, a qual ocorreu em uma zona em vez de um plano vertical paralelo à interface metal/molde. Os resultados permitiram evidenciar o efeito do elemento Si na antecipação da TCE para a liga Al-3%Cu-5,5%Si comparada à liga Al-3%Cu, solidificada na mesma direção de crescimento (horizontal).
Palavras-chave: Transição colunar equiaxial, Solidificação direcional horizontal,
ABSTRACT
Aluminum alloys castings had a fundamental role in the growth of the metal-mechanics industry. Nowadays these alloys are supplied in a wide range of chemical compositions. We highlight the Al–Cu–Si ternary system because of particular outstanding properties such as high mechanical strength, low weight and very good fluidity. These qualities make them a good choice for applications in the automotive and aerospace industry. The potential of such alloys has attracted much attention of researchers with a view to investigating the macrostructure and microstructure evolution and correlation with mechanical properties. In this sense, this study aims to investigate the combined effects of superheat and natural convection in columnar transition to equiaxial (CET) of the ternary Al-3% Cu-5.5% Si alloy. The CET was correlated with the solidification thermal variables such growth rate (VL), temperature gradient (GL) and cooling rate
(TR). Three superheats were assumed in obtaining the solidification macrostructure of
the multicomponent investigated. The resulting ingots were obtained by a water cooled-horizontal directional solidification device. Thermal analysis has been utilized to determine VL, TR and GL. The observation of the macrostructures has indicated that the
resulting thermo-solutal convection combined with superheat seem to favor the CET, which did not occur in a single plane, for all ingots obtained, i.e., it has been seen in a range of positions in ingots. In order to analyze the effects of the silicon and copper elements and the growth direction in the CET occurrence, comparisons between the results of this work with the literature were also developed. The addition of Si element in binary Al-3%Cu alloy (solidified horizontally) anticipates the CET. A comparison with experimental results for CET occurrence in different solidification growth directions has been carried out.
Keywords: columnar to equiaxed transition, horizontal directional solidification, thermal parameters, unsteady-state conditions, Al-Cu-Si alloys.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Sequência de modo esquemático das correlações existentes entre as variáveis do processo de solidificação (Rocha 2003; Garcia, 2007)...18 Figura 2.1. -Esquema do dispositivo de solidificação unidirecional vertical ascendente refrigerado a água, utilizado em diversos estudos de correlação entre variáveis térmicas e estruturas de solidificação (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Spinelli, 2005)...27 Figura 2.2 - Representação esquemática do banco experimental do dispositivo de solidificação vertical descendente: 1. Aquisição via computador; 2. Material refratário isolante; 3.Resistências elétricas (sistema de aquecimento); 4. Lingoteira bipartida; 5. Termosensores; 6. Registrador de dados térmicos; 7. Câmara de refrigeração; 8. Rotâmetro; 9. Controle de potência do forno, 10. Metal líquido.(Spinelli, 2005; Rosa, 2007)...27 Figura 2.3 - Esquematização do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal desenvolvido por: (a) Quaresma e (b) Silva (Quaresma, 2000; Silva, 2007)...29 Figura 2.4 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificação horizontal (Costa, 2013)...30 Figura 2.5 – Representação esquemática das estruturas de solidificação em escala macroestutural e microestrutural (Osório, 2004)...31 Figura 2.6 – Representação esquemática das estruturas coquilhada, colunar e equiaxial. (Santos, 2004)...32 Figura 2.7 – Perfis de temperatura real e da temperatura liquidus na interface S/L caracterizando a região de super-resfriamento constitucional (Santos, 2006)...33 Figura 2.8 – Mecanismo proposto por Ohno para a formação da zona coquilhada onde observasse a estricção de grãos coquilhados sobre as paredes do molde (Almeida, 1999)...34 Figura 2.9 - Mecanismo do crescimento seletivo proposto por Chalmers e Walton para explicar a formação da zona colunar (Almeida, 1999)...36 Figura 2.10 – Formação de grãos equiaxiais à frente da zona colunar em crescimento durante a solidificação da liga Al-3,5%Ni (Reinhart et al., 2005)...37 Figura 2.11 – Simulação do transporte de grãos coquilhados, localizados à frente da zona colunar em crescimento, para o centro do lingote (Moutinho, 2011; Almeida, 1999)...38
Figura 2.12 – Simulação da quebra de ramificações dendríticas de grãos colunares por correntes de convecção forçada no líquido (Moutinho, 2011; Almeida, 1999)...39 Figura. 2.13 - Macroestruturas obtidas com chapa molde de aço inoxidável recoberta com alumina indicando a ocorrência da TCE: (a) Sn-20%Pb e (b) Sn-30%Pb (Siqueira, 2002)...44 Figura 2.14 - Macroestruturas obtidas com chapa molde de aço 1020 polida indicando a
ocorrência da TCE: (a) Al-5%Cu e (b) Al-8%Cu (Siqueira,
2002)...44 Figura 2.15 - Macroestruturas de ligas do sistema Al-Si na solidificação unidirecional vertical ascendente indicando a ocorrência da TCE: (a) 3%Si, (b) 5%Si, (c) Al-7%Si e (d) Al-9%Si (Peres, 2004)...46 Figura 2.16 - Macroestruturas de ligas do sistema Sn-Pb na solidificação unidirecional vertical descendente em molde refrigerado indicando a ocorrência da TCE: (a) Sn-5%Pb e (b) Sn-20%Pb (Spinelli, 2005)...47 Figura 2.17 - Macroestruturas obtidas na solidificação unidirecional em molde horizontal refrigerado indicando a ocorrência da TCE: (a) Sn-15%Pb e (b) Sn-25%Pb. (Moutinho, 2007)...48 Figura 2.18 - Macroestruturas obtidas na solidificação unidirecional em molde horizontal refrigerado indicando a ocorrência da TCE: (a) Sn-15%Pb e (b) Sn-25%Pb (Moutinho, 2007)...50 Figura 2.19 - Macroestruturas obtidas por Rocha et al (2015) para as ligas Al-3%Cu-nSi solidificadas em sistema vertical ascendente (Gomes, 2012; Rocha et al., 2015)...52 Figura 2.20 – Macroestruturas resultantes de Costa et al, (2015) para as ligas Al-6%Cu e Al-65Cu-4%Si: (a) e (b) Al-6%Cu solidificadas em sistema vertical ascendente, respectivamente e (c) e (d) Al-6%Cu-4%Si solidificadas em sistema horizontal (Costa et al., 2015)...54 Figura 2.21 – Análise de Microssegregação realizada no trabalho de Costa et al (2015) – (Costa et al.,2015)...55 Figura 3.1 - Fluxograma do procedimento experimental empregado neste trabalho, adaptado de Carvalho (2013)...59 Figura 3.2 – (a) Balança digital precisão de 0,01 mg; (b) Cadinho de carbeto de silício; (c) Forno tipo mufla com temperatura de trabalho até 1250oC (Carvalho, 2013)...61
Figura 3.3 - Registro fotográfico do analisador químico (Espectrômetro Ótico) utilizado neste trabalho (GPMat/UFPA)...62 Figura 3.4 - Diagrama de fase pseudo-binários em função de Silício (a), de Cobre (b), adaptado de Gomes (2012)...63
Figura 3.5 - Caminho de solidificação calculado pelo TermoCalc para condições fora do equilíbrio...63 Figura 3.6 - Esquema do conjunto de monitoramento da temperatura liquidus da liga analisada...64 Figura 3.7 - Termopar tipo K (a) e registrador de temperatura (b)...64 Figura. 3.8 - (a) Representação do conjunto que compõe o dispositivo de solidificação direcional horizontal utilizado neste trabalho: (10 termopares, (2) Controlador de temperatura, (3) computador, (4) alimentação principal de água, (5) recipiente armazenador de água, (6) bomba d’água, (7) rotâmetro, (8) entrada de água de refrigeração, (9) saída de água, (10) dispositivo de solidificação direcional horizontal, (11) fidloger – registrador de temperatura, (b) Vista lateral e interna do dispositivo: (12) isolamento com blindagem em cerâmica; (13) resistências elétricas; (14) lingoteira, adaptado de Carvalho (2013)...66 Figura 3.9 - Detalhes dimensionais da chapa molde (ou trocadora de calor) e lingoteira de aço inox...67 Figura 3.10 - Desenho esquemático do conjunto chapa de resfriamento e lingoteira...68 Figura 3.11. Registro fotográfico do interior da lingoteira, mostrando in loco detalhes das resistências elétricas e o conjunto chapa molde e lingoteira...69 Figura 3.12 - Tela de iniciação dos programas (a) AMR-Software, (b) Origin 8.0 e (c) Image Tool, adaptado de Carvalho (2013)...70 Figura 3.13 - Perfil de temperatura indicando o tempo de passagem da isoterma liquidus (Dias Filho, 2013)...73 Figura 3.14 - Deslocamento da posição da isoterma liquidus em função do tempo (Dias Filho, 2013)...74 Figura 3.15 - Representação esquemática da obtenção do gráfico das velocidades em função do tempo e em função da posição (Dias Filho, 2013)...75 Figura 3.16 - Sequência experimental para determinação das variáveis térmicas, adaptado de Rocha, 2003...76 Figura 3.17 - Serra de fita (Marca Franho, Mod. F-38S) utilizada neste trabalho para corte dos lingotes resultantes....77 Figura 3.18 - Representação esquemática do corte longitudinal e correspondente macroestrutura revelada da liga Al-3%Cu-5,%Si para TV = 10%
Figura 4.1 -Modelo de apresentação e análise dos resultados....79 Figura 4.2 - Curvas de resfriamento obtidas para a liga Al-3%Cu-5,5%Si solidificada horizontalmente, considerando superaquecimentos (TV) acima de TL iguais a; (a) TV
= 5%; (b) TV = 10% e (c) TV = 15%....80
Figura 4.3 - Macrografias representativas das macroestruturas obtidas para a liga Al-3%Cu-5,5%Si, considerando três superaquecimentos (TV = 5%, 10% e
15%)....81 Figura 4.4 -Leis experimentais da cinética de solidificação, representando a posição da isoterma liquidus a partir da interface refrigerada em função do tempo....82 Figura 4.5 - Velocidades das isotermas liquidus a partir da interface metal/molde em função da posição (IFPA/UFPA)....83 Figura 4.6 - Taxas de resfriamento a partir da interface metal/molde em função da posição para as ligas estudadas (IFPA/UFPA)....84 Figura 4.7 -Gradientes de temperatura a partir da interface metal/molde em função da posição para as ligas estudadas (IFPA/UFPA) ....84 Figura 4.8 – Variáveis de térmicas de solidificação na região de ocorrência da TCE para TV = 5%...87
Figura 4.9 – Variáveis de térmicas de solidificação na região de ocorrência da TCE para TV = 10%...88
Figura 4.10 – Variáveis de térmicas de solidificação na região de ocorrência da TCE para TV = 15%...89
Figura 4.11 – Macrografias apresentando macroestruturas resultantes deste trabalho comparadas com as obtidas da literatura...92 Figura 4.12 – Macroestrutura de solidificação da liga Al-3%Cu-5,5%Si estudada neste trabalho para TV = 5% - GPSol (UFPA) e GPMet (IFPA)...93
Figura 4.13 – Esquema representativo das direções de crescimento e movimentação de soluto: (a) solidificação vertical ascendente, (b) solidificação vertical descendente e (c) solidificação horizontal...94
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Parâmetros térmicos de solidificação associados à TCE obtidos por Siqueira (2002) para ligas do sistema Sn-Pb (Siqueira, 2002)...45 Tabela 2.2 -Parâmetros térmicos de solidificação associados à TCE obtidos por Peres (2004) para ligas do sistema Al-Si (Peres, 2004)...46 Tabela 2.3 -Parâmetros térmicos de solidificação associados à TCE obtidos por Spinelli (2005) para ligas do sistema Sn-Pb (Spinelli, 2005)...47 Tabela 2.4 – Parâmetros térmicos de solidificação associados à TCE obtidos por Moutinho (2007) para ligas do sistema Sn-Pb (Moutinho, 2007)...49 Tabela 2.5 - Parâmetros térmicos de solidificação associados à posição da TCE obtidos nos trabalhos de Moutinho (2001) e Peres et al (2004) – (Moutinho, 2011)...51 Tabela 2.6 - Parâmetros térmicos de solidificação associados à posição da TCE obtidos no trabalho deRocha el al (2015) – (Rocha et al.,2015)...53 Tabela 2.7 – Principais estudos apresentados na literatura que tentam descrever a formação das zonas coquilhada, colunar, equiaxial assim como a transição colunar-equiaxial (TCE)...56 Tabela 2.8 – Principais critérios de ocorrência da TCE associados aos parâmetros térmicos...57 Tabela 3.1 – Composição química (% em peso) dos metais utilizados na elaboração da liga Al-3wt.%Cu-7wt.%Si (Peres, 2005; Gomes, 2012)...60 Tabela 3.2 - Resultado da análise química quantitativa e qualitativa da liga Al-3%Cu-5,5%Si. Padrão fornecido pelo analisador mostrado na Figura 3.3...62 Tabela 4.1 -Leis experimentais do tipo potência obtidas para neste trabalho comparadas com literatura...85 Tabela 4.2 - Resultados experimentais dos parâmetros térmicos associados à TCE...90
Tabela 5.1 – Equações correspondentes aos parâmetros térmicos das ligas Al-Cu-Si investigada...95
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Al = alumínio Be = berílio Ca = cálcio Cl = cloro Cr = cromo Cu = cobre Fe = ferro Ga = gálio
GL = gradiente de temperatura frente a isoterma liquidus[ °C/mm ]
GPS = grupo de pesquisa de solidificação H = hidrogênio
h i = coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde [ W / m² K ] ISA = Sociedade Instrumento da América
K = condutibilidade térmica do material [W / m K] L = calor latente de fusão do material [J / m³] ou [J / kg] Mg = magnésio Mn = manganês Ni = níquel O = oxigênio P = fósforo Pb = chumbo Si = silício
S/L = interface sólido e líquido Sn = estanho
t = tempo de deslocamento da isoterma solidus [s] Ti = titânio
TCE = transição colunar equiaxial T R = taxa de resfriamento
T 0 = temperatura ambiente ou inicial do molde [K] T L = temperatura da linha liquidus da liga [K] T V = temperatura de vazamento [K]
∆T = diferença de temperatura [K] ∆TV = superaquecimento [K]
V = velocidade de solidificação [m / s] V L = velocidade da isoterma liquidus [m/s]
∆V = diferença de potencial [V] Zn = zinco
SUMÁRIO
1 . CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO...17
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS...17
1.2. OBJETIVOS...21
2 . CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...23
2.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS...23
2.2. PARÂMETROS (OU VARIÁVEIS) TÉRMICOS E ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO...23
2.2.1. VARIÁVEIS TÉRMICAS...23
2.2.2. ANÁLISE EXPERIMENTAL DA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL EM CONDIÇÕES TRANSITÓRIAS...25
2.3. FORMAÇÃO DA MACROESTRUTURA...30
2.3.1. ZONA COQUILHADA...32
2.3.2. ZONA COLUNAR...35
2.3.3. ZONA EQUIAXIAL...36
2.4. TRANSIÇÃO COLUNAR-EQUIAXIAL (TCE)...42
3. MATERIAIS E MÉTODOS...58
3.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS...58
3.2. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NESTE TRABALHO...58
3.2.1. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ELABORAÇÃO DA LIGA...58
3.2.2. MATERIAIS. E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL ...64
3.3.1. OBTENÇÃO DA LIGA AL-CU-SI INVESTIGADA E LEVANTAMENTO DAS CURVAS DE RESFRIAMENTO (ATUALIZADO A PARTIR DE CARVALHO,
2013)...71
3.3.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAÇÃO DAS VARIÁVEIS TÉRMICAS DE SOLIDIFICAÇÃO (VL,TR E GL ) [ADAPTADO A PARTIR DE DIAS FILHO (2013)]...72
3.3.3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA MACROESTRUTURA (ADAPTADO DE GOMES, 2012)...76
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES...79
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS...79
4.2. CURVAS DE RESFRIAMENTO...79
4.3. MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO...81
4.4. DETERMINAÇÃO E ANÁLISES DAS VARIÁVEIS TÉRMICAS (VL , TR e GL )...81
4.5. ANÁLISES DA DETERMINAÇÃO DA TCE E CORRELAÇÃO COM OS PARÂMETROS TÉRMICOS...86
5. CONCLUSÕES...95
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...97
17
1. CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO
1.1. Considerações Iniciais
O Brasil ocupa uma posição de destaque entre os maiores produtores de alumínio, no entanto, sua indústria de transformação, em especial o setor de fundição, ainda é incipiente e se encontra tecnicamente muito dependente dos grandes polos mundiais de desenvolvimento tecnológico, uma vez que a correta utilização de componentes do alumínio ainda é considerada relativamente nova e com grande potencial de expansão (Canté, 2009). Nesse contexto, é de grande importância para o nosso país, principalmente quando é considerada a intensa procura pelas indústrias automobilística e aeroespacial por produtos baseados em ligas leves, especialmente ligas de alto desempenho. O sistema de liga Al-Cu-Si, especialmente as pertencentes à série 319.1, foco deste trabalho, por exemplo, em virtude da sua excelente fluidez, boa fundibilidade e resistência mecânica a temperaturas relativamente elevadas, baixo coeficiente de expansão térmica e boa resistência ao desgaste, aliada à elevada relação resistência/peso, representa uma excelente opção à substituição de materiais tradicionais, evidenciado nas indústrias aeroespacial e automobilística que têm utilizado esse sistema de liga em seus produtos, fazendo-se valer das suas propriedades (Metals Handbook, 1998). O estudo da liga Al-Cu-Sié, portanto, de grande importância, pois a exigência do mercado consumidor por tecnologias que conjugassem desempenho mecânico à elevada eficiência e baixo custo de manutenção conduziu à necessidade de serem desenvolvidos materiais capazes de satisfazer determinadas propriedades, tais como elevada resistência mecânica e baixo peso específico. Assim, diversos sistemas de liga têm sido estudados e desenvolvidos com esse propósito ao longo dos últimos anos.
Neste cenário, destaca-se a atuação das indústrias de fundição no seguimento de transportes, onde o principal elemento fundido é o alumínio. Os componentes fundidos são os responsáveis pelo maior volume de alumínio utilizado na indústria automotiva. Assim, a imensa maioria dos produtos metálicos, que atendem às necessidades imediatas da sociedade moderna, utiliza, em algum momento da sua cadeia produtiva, o processo de solidificação o qual representa a mais importante alternativa para a fabricação de produtos metálicos acabados e semiacabados (Garcia, 2007), especialmente de ligas alumínio. Uma análise global dos atuais processos de manufatura
18 de peças e componentes metálicos mostra que, com exceção dos artigos produzidos por técnicas de metalurgia do pó, todos os demais passam, pelo menos uma vez, pelo processo de solidificação, conforme mostra o esquema da Figura 1.1.
Figura 1.1 - Sequência de modo esquemático das correlações existentes entre as variáveis do processo de solidificação.
Fonte: Rocha (2003); Garcia ( 2007).
Entretanto, com as crescentes exigências da indústria moderna por materiais com propriedades cada vez mais elevadas, o conhecimento do controle da cinética do processo de solidificação de metais e ligas metálicas vem a cada dia se consolidando como um objeto de estudo de extrema importância para a obtenção de materiais com propriedades homogêneas e cada vez mais adequadas à sua utilização prática. Deste modo é essencial uma abordagem de alguns princípios básicos que envolvem o processo de solidificação de materiais metálicos. Destaca-se, por exemplo, a técnica de solidificação unidirecional que tem sido bastante utilizada no estudo experimental dos fenômenos da solidificação, esse estudo pode ser abordado tanto em regime estacionário de extração de calor quanto em regime transitório. Vale destacar, ainda, que a maioria
19 dos resultados experimentais, envolvendo aspectos macro e microestruturais resultantes do processo de solidificação, presentes na literatura (Garcia, 2007), utilizam condições estacionárias de troca de calor. Entretanto, a maioria dos processos industriais ocorre em condições transitórias de fluxo de calor, sendo que a grande parte desses trabalhos aborda a solidificação direcional vertical ascendente (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Ferreira, 2004; Rosa, 2004; Peres, 2005; Spinelli, 2005; Boeira, 2006; Osorio et al., 2007; Cante, 2009; Goulart, 2010; Silva, 2011; Moutinho, 2012; Gomes, 2012). Investigações sobre a solidificação transitória de ligas ternárias relacionadas aos parâmetros macroestruturais e microestruturais, modelagem de solidificação, segregação de soluto e a formação de porosidade são relativamente escassos na literatura [Gomes, 2012; Moutinho, 2007; Rocha, 2003(A); 2003(B); 2003(C); 2003(D), Lee et al., 2003] e (Wang e Berckermann, 1996), tanto que para ligas multicomponentes existe somente um modelo teórico na literatura para a determinação do espaçamento dendrítico secundário (Rappaz e Boettiinger, 1999) e (Easton et al., 2010), que investiga a influência do soluto nos espaçamentos dendríticos secundários em ligas de alumínio em função do tempo local de solidificação. No caso de ligas ternárias, a principal dificuldade está relacionada com a determinação do caminho da solidificação.
Atualmente, diversos aspectos de natureza física relacionados à formação da microestrutura e macroestrutura dos produtos obtidos por fundição necessitam ser ainda estudados. Assim, em geral, a macroestrutura de um fundido é constituída de três diferentes zonas estruturais conhecidas como zona coquilhada (formada por grãos de orientações aleatórias, de dimensões muito reduzidas e localizados próximo às paredes do molde), zona colunar (na qual os grãos são direcionais e cujo crescimento ocorre na direção da extração de calor) e a zona equiaxial (constituída de grãos sem orientações preferenciais e de dimensões relativamente grandes quando comparados com os grãos coquilhados). A formação dessas estruturas depende das condições de extração de calor consideradas durante o processo de solidificação sendo função, portanto, dos métodos utilizados para solidificar o metal e das características termofísicas específicas do material metálico empregado, podendo ou não estar presentes em um caso particular. Devido à bem conhecida correlação existente entre a morfologia, dimensão e distribuição dos grãos cristalinos e as correspondentes propriedades mecânicas da peça obtida, a origem de cada uma delas tem sido objeto de intensa investigação teórica e/ou experimental por parte de muitos pesquisadores uma vez que a presença dessas diferentes zonas estruturais promove um elevado grau de anisotropia no material, o que
20 não é desejável (Siqueira, 2002). Logo, na maioria das aplicações exigidas pela engenharia, com exceção de algumas muito especiais, são utilizadas estruturas constituídas de grãos equiaxiais de dimensões bastante reduzidas, pois tais estruturas são isotrópicas e suas propriedades são, comprovadamente, superiores (Moutinho, 2011).
Uma quarta zona macroestrutural de elevada complexidade, que vem sendo considerada na literatura (Siqueira, 2002) é composta pela existência simultânea de grãos colunares e equiaxiais, denominada de transição colunar/equiaxial (TCE). Em função do número de variáveis operacionais e térmicas envolvidas durante a mudança de fase líquido/sólido, ainda não existe um consenso científico bem estabelecido quanto à previsão de um determinado tipo de macroestrutura para um lingote e nem, tão pouco, quanto aos mecanismos envolvidos na TCE que ocorre quando o avanço da frente colunar é bloqueado pela formação de grãos equiaxiais no líquido. Essa transição é dependente de várias condições térmicas associadas ao processo de solidificação como, por exemplo, sistema de liga, composição da liga, temperatura de vazamento, material do molde, temperatura do molde, coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, dimensão da peça, taxa de resfriamento, gradientes térmicos, velocidade da isoterma liquidus, presença de convecção no líquido, transporte de soluto, concentração de partículas nucleantes, etc, sendo que alguns desses parâmetros variam tanto com o tempo como com a posição ao longo do processo (Canté, 2007; Flood e Hunt, 1987; 1994; Sturz, 2005; Wang e Beckermann, 1994). Desta maneira, o não completo entendimento da relação entre as condições térmicas de solidificação e a estrutura resultante tem limitado bastante o desenvolvimento de procedimentos experimentais e métodos matemáticos, analíticos e numéricos, que visem à obtenção de peças fundidas dotadas de propriedades mecânicas superiores. Com relação à TCE, por exemplo, embora muitos trabalhos experimentais (Ares e Schvezov, 2000; Silva, 2009; Siqueira, 2003; Ziv e Weinberg, 1989), métodos analíticos (Flood e Hunt, 1987a e Flood e Hunt, 1987b; Hunt, 1984) e métodos numéricos (Badillo e Beckermann, 2006; Dong e Lee, 2005; Hunt, 1984; Dong e Lee, 2005; Wang e Beckermann, 1994) tenham sido apresentados nos últimos anos, os princípios físicos e/ou químicos que potencializam a mesma permanecem ainda não suficientemente esclarecidos. Apesar de inúmeros mecanismos baseados em evidências experimentais terem sido propostos para o estudo da TCE, todavia, os modelos matemáticos desenvolvidos para previsão dessa transição estrutural durante a solidificação de ligas metálicas têm apresentado limitações
21 devido ao complexo acoplamento das soluções dos problemas em nível macroscópico (transferência de calor e massa) e microscópico (nucleação e crescimento). Esses mesmos modelos ainda simplificam o tratamento da convecção no líquido e o movimento dos grãos equiaxiais.
Os efeitos do vetor gravidade em relação à TCE, por exemplo, têm sido investigados em sistemas de solidificação unidirecional com a extração de calor sendo realizada, principalmente, através da base (Ares e Schvezov, 2000; Canté, 2007; Siqueira, 2003; Peres, 2004; Reinhart, 2005; Siqueira, 2003) ou da parte superior do molde (Griffiths e McCartney, 1993, Spinelli, 2004). Assim, na solidificação direcional vertical ascendente, a influência da convecção é minimizada pois o soluto é rejeitado para regiões interdendríticas promovendo a formação de um líquido interdendrítico mais denso que o volume total de metal líquido. Por outro lado, no caso da solidificação direcional vertical descendente, ocorrem efeitos convectivos no líquido durante o processo devido à diferença entre as densidades do soluto e do solvente. Na solidificação unidirecional horizontal (Moutinho, 2010; Silva, 2009; Guimarães, 2014), no entanto, quando o fluxo de calor é extraído através de somente uma das paredes laterais do molde, sempre ocorre a convecção em função dos gradientes de composição no líquido. Uma característica adicional do sistema horizontal durante a mudança de fase é o gradiente de concentração de soluto bem como os efeitos de densidade na direção vertical; em decorrência da força de flutuabilidade, o líquido enriquecido de soluto sempre decanta ao passo que o solvente tende a emergir. Além disso, ocorre um gradiente de temperaturas na direção vertical devido os efeitos impostos pela convecção termossolutal. Apesar dessas características particulares, são poucos os estudos propostos na literatura para investigar estes importantes efeitos convectivos no líquido na formação da TCE durante a solidificação unidirecional horizontal, especialmente quando se trata de ligas multicomponentes.
1.2 – Objetivos
Este trabalho objetiva desenvolver experimentos de solidificação direcional sob condições transitórias de extração de calor, utilizando-se para tal de um dispositivo de solidificação direcional horizontal refrigerado à água. Foram realizadas análises de evolução térmica visando caracterizar as macroestruturas de solidificação de uma liga ternária Al-Si-Cu e correlacioná-la com as variáveis térmicas de solidificação,
22 considerando superaquecimentos de 5%, 10% e 15% acima da tempreatura liquidus. Dentro da composição do plano de trabalho, as metas estabelecidas para se atingir os objetivos planejados são:
1 - Realização de experimentos de solidificação unidirecional horizontal com a liga Al-5,5%Si-3%Cu em condições transitórias de extração de calor, utilizando-se de um dispositivo de solidificação direcional refrigerado a água, considerando superaquecimentos de 5%, 10% e 15%;
2 – Realização de análises térmicas para a liga multicomponente estudada neste trabalho, através do mapeamento de temperaturas no metal liquido, visando à determinação do caminho de solidificação, para cada superaquecimento adotado.
3 - Determinação experimental da cinética de solidificação e dos parâmetros térmicos correspondentes para cada superaquecimento adotado, tais como velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente térmico
(GL) para a liga multicomponente analisada.
4 – Caracterização macroestrutural dos lingotes resultantes e verificação da transição colunar-equiaxial (TCE) para cada superaquecimento adotado.
5 – Inter-relacionar a TCE com as variáveis térmicas de solidificação (VL, TR e GL)
6 - Avaliar os efeitos combinados do superaquecimento e da convecção natural no comportamento da TCE da liga estudada, durante a solidificação unidirecional horizontal.
7 – Analisar os efeitos combinados do Si e do Cu na ocorrência da TCE e comparar com trabalhos da literatura para a liga Al-3%Cu.
8 – Analisar o efeito da direção de crescimento da solidificação (Vertical e Horizontal) na formação da TCE, utilizando-se de resultados experimentais da literatura.
23
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - CONSIDERAÇÕES INICIAIS
De modo geral, as substâncias podem assumir três estados físicos de agregação atômica: gasoso, líquido e sólido. Do estado sólido, por aquecimento, passa-se para o estado líquido, mudança conhecida como fusão, que ocorre em uma única temperatura para componentes puros e geralmente em um intervalo de temperaturas para uma mistura de componentes. O caminho contrário ao da fusão por resfriamento é conhecido por solidificação e pode ser entendido como sendo a mudança do estado líquido para o estado sólido de uma substância. Essa mudança tem início com o aparecimento de pequenas partículas de nova fase sólida, que crescem até que a transformação se complete. O aparecimento e o crescimento posterior dessas partículas sólidas caracterizam o modo de formação da estrutura em metais e ligas metálicas em momentos sucessivos de tal modo que aspectos cinéticos, térmicos, químicos e termodinâmicos estão fortemente relacionados (Osório, 2004).
Qualquer processo baseado na solidificação de um metal com o objetivo de produzir uma peça sólida deve atender certas exigências, que dependem de sua aplicação futura, e que decorrem de aspectos estruturais e geométricos. Sabe-se que as propriedades finais do fundido dependerão da estrutura solidificada, por consequência dos diversos fatores de processo que a controlam, como o fluxo de calor do metal líquido, propriedades químicas e termofísicas do metal em estudo, condições de vazamento e propriedades do sistema de solidificação, parâmetros térmicos e estruturais. A seguir apresentaremos um estudo minucioso a partir da literatura sobre esses parâmetros (Osório, 2004; Garcia, 2007).
2.2 – PARÂMETROS (OU VARIÁVEIS) TÉRMICOS E ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
2.2.1 - Variáveis térmicas
A descrição do processo de solidificação de materiais, que envolve análises de transferências de calor e massa, em conjunto com as técnicas de caracterização de macroestruturas e microestruturas, permite avaliar a influência das variáveis dos processos na qualidade dos produtos gerados e dessa forma a programação prévia da produção. A análise do processo de solidificação compreende, basicamente, a
24 determinação da distribuição de temperaturas no sistema metal/molde e a determinação da cinética envolvida na transformação de estado líquido/sólido (Garcia, 2001).
As variáveis térmicas, temperatura de vazamento (Tv), gradientes de temperatura (GL), velocidades de evolução das isotermas de transformação liquidus e
solidus (VL e VS) e taxa de resfriamento (TR), são determinantes na análise das
transferências de calor e massa ocorridas durante o processo de solidificação, assim como são de significativa importância na definição da morfologia apresentada pelas estruturas brutas de solidificação tanto em escala microestrutural como macroestrutural. As estruturas e suas morfologias resultantes do processo de transformação líquido/sólido influenciam as propriedades do produto final, tanto para peças de fundição como também para aqueles que posteriormente sofrem transformações mecânicas ou térmicas. O conhecimento da influência das variáveis térmicas sobre a formação das estruturas resultantes do processo de solidificação é fundamental para o planejamento da produção, uma vez que essas estruturas determinam a qualidade dos produtos acabados.
A técnica de solidificação unidirecional tem sido bastante utilizada no estudo experimental dos fenômenos da solidificação. Esses estudos podem ser divididos em duas categorias: aqueles que tratam da solidificação em condições estacionárias de fluxo de calor e os que abordam a solidificação em regime transitório. No primeiro caso, o gradiente de temperatura GL e a velocidade de crescimento de avanço da isoterma de
transformação VL são controlados independentemente e mantidos constantes ao longo
do experimento, como ocorre nos processos que utilizam a técnica Bridgman/Stockbarger (Garcia, 2007). O estudo em condições estacionárias de fluxo de calor é muito utilizado na determinação das relações quantitativas entre os aspectos microestruturais e as variáveis térmicas de solidificação, já que permite analisar a influência de cada uma delas de forma independente e permite um mapeamento experimental de parâmetros microestruturais em um espectro mais amplo da amostra solidificada. A maioria dos resultados experimentais, envolvendo aspectos macro e microestrurais resultantes do processo de solidificação, presentes na literatura, utilizam condições estacionárias de troca de calor.
Por outro lado, a maioria dos processos industriais ocorre em condições transitórias de fluxo de calor, o que justifica a importância do estudo da solidificação transitória (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Silva, 2007; Moutinho, 2007; Nogueira, 2011;
25 Silva, 2011; Garcia, 2007; Moutinho 2011; Moutinho, 2012; Gomes, 2012; Guimarães, 2014; Araújo, 2015). Neste caso, tanto o gradiente de temperatura como a velocidade de avanço da isoterma de transformação variam livremente com o tempo e a posição no interior do metal. Na literatura são raros os modelos teóricos que correlacionam parâmetros microestruturais com as variáveis térmicas da solidificação transitória. Os poucos modelos apresentados na literatura, como os de Hunt-Lu (1996) e Bouchard-Kirkaldy (1997), ainda não são amplamente validados por resultados experimentais para solidificação com configuração horizontal onde os efeitos convectivos, devidos aos gradientes de temperatura e composicionais, somados com o efeito da gravidade, estão fortemente presentes no processo, ou comparados com resultados muito particularizados, o que torna de extrema importância a avaliação teórico-experimental do efeito das variáveis térmicas (hi, Tv, GL, VL e TR) sobre os parâmetros da
macroestrutura e da microestrutura resultantes do processo de solidificação unidirecional, para diversos sistemas metálicos binários e em uma ampla faixa de concentração de soluto, apesar de que neste trabalho está sendo utilizada apenas uma única concentração de soluto.
2.2.2 - Análise experimental da solidificação unidirecional em condições transitórias
O fenômeno da solidificação pode ser investigado experimentalmente em função da direção na qual o fluxo de calor é extraído e do sentido de avanço da frente de solidificação. A literatura apresenta trabalhos que avaliam a influência de fatores, como a convecção natural devido a fatores térmicos e composicionais, na formação e nos parâmetros quantificadores das estruturas de solidificação. Essas investigações têm permitido a obtenção de muitas informações relevantes sobre a evolução da cinética do processo de solidificação e sobre a redistribuição de soluto (macrossegregação e microssegregação) de ligas metálicas binárias (Siqueira, 2002; Osório, 2003; Rocha, 2003; Spinelli, 2004; Rosa, 2004/2007; Silva, 2007, Moutinho 2007, Canté, 2009; Cruz, 2008; Moutinho, 2011; Nogueira, 2011).
A solidificação unidirecional vertical, por exemplo, em condições transitórias, pode ser estudada considerando a direção do fluxo de calor extraído e o sentido de avanço da frente de solidificação que pode ser ascendente ou descendente. No avanço
26 ascendente, o soluto é rejeitado na frente da solidificação, e dependendo do par soluto/solvente, pode ocorrer a formação de um líquido interdendrítico mais denso que o restante do volume global de metal líquido, garantindo assim, do ponto de vista de movimentação de líquido, a estabilidade do processo de solidificação. Nessa situação, a refrigeração do metal ocorre na parte inferior, o que produz um perfil de temperaturas crescentes no líquido, em sentido ascendente, forçando o líquido mais denso a localizar-se junto à fronteira de transformação sólido/líquido, minimizando as correntes convectivas tanto por diferenças de temperatura quanto por diferenças de concentração. A transferência de calor ocorre essencialmente por condução térmica unidirecional; isso permite uma análise experimental e cálculos teóricos isentos desse complicador (convecção natural). A Figura 2.1 mostra de forma esquemática o dispositivo de solidificação direcional vertical ascendente, utilizado pelo Grupo de Pesquisa de Solidificação da UNICAMP (GPS/UNICAMP).
No caso da frente de solidificação avançar no sentido descendente, a força peso atua no sentido de deslocar o lingote do contato com a base refrigerada, provocando mais precocemente uma situação de maior resistência térmica na interface metal/molde, influenciando na cinética da transformação líquido/sólido. O movimento convectivo, nesta situação, estará presente já que o perfil de temperatura do líquido é crescente em direção à base do lingote, que é isolada termicamente. Dessa forma, se o soluto rejeitado provocar um líquido interdendrítico com massa específica maior do que aquela correspondente a do líquido na concentração nominal da liga, além da convecção por diferenças de temperaturas, também estará presente a convecção por diferenças de concentração de soluto. A Figura 2.2 mostra de forma esquemática o dispositivo de solidificação direcional vertical descendente, utilizado pelo Grupo de Pesquisa de Solidificação da UNICAMP (GPS/UNICAMP).
27
Figura 2.1 - Esquema do dispositivo de solidificação unidirecional vertical ascendente refrigerado a água, utilizado em diversos estudos de correlação entre variáveis térmicas e estruturas de
solidificação.
Fonte: (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Spinelli, 2005).
Figura 2.2 - Representação esquemática do banco experimental do dispositivo de solidificação vertical descendente: 1. Aquisição via computador; 2. Material refratário isolante; 3.Resistências
elétricas (sistema de aquecimento); 4. Lingoteira bipartida; 5. Termosensores; 6. Registrador de dados térmicos; 7. Câmara de refrigeração; 8. Rotâmetro; 9. Controle de potência do forno, 10.
Metal líquido.
28 No que se refere à solidificação unidirecional horizontal, considerado neste trabalho o processo de solidificação pode ser conduzido de duas maneiras distintas:
a) A partir do vazamento de metal líquido no interior de um molde isolado termicamente, sendo o calor extraído somente por uma das paredes constituída de um bloco maciço metálico ou de uma câmara de refrigeração.
b) Através de um sistema semelhante que permita fundir o metal em seu interior até que uma temperatura seja alcançada, a partir da qual se inicia a solidificação. No primeiro caso [Figura 2.3(a)], a turbulência do vazamento induz correntes de convecção forçadas que levam algum tempo para se dissiparem e que agem com intensidades diferentes ao longo da secção do lingote. No segundo caso [Figura 2.3(b)], garante-se, com a fusão do metal dentro do molde, uma maior estabilidade em relação ao movimento de metal líquido. Convém ressaltar, no entanto, que as mesmas variáveis térmicas de solidificação não podem ser asseguradas ao longo de diferentes secções horizontais da base refrigeradas a outra extremidade do lingote, uma vez que instabilidades térmicas e diferenças de massa específica no líquido irão promover correntes convectivas que serão diferentes ao longo dessas secções. O perfil térmico da evolução da solidificação deve ser levantado em uma secção horizontal o mais próximo possível da interface metal/molde, a partir da qual serão retiradas as amostras para análise da estrutura. (Quaresma et al, 2000; Osório, 2003; Goulart, 2006; Silva, 2007; Moutinho, 2007).
A configuração apresentada pelo esquema da Figura 2.4 (b) é semelhante o utilizado neste trabalho para a liga Al-3%Cu-5,5%Si. Este dispositivo foi projetado, aferido e utilizado pela primeira vez por Silva (2007) para ligas Al-Cu e Sn-Pb. A Figura 2.4 mostra de forma esquemática os modos de transferência de calor envolvidos na solidificação direcional horizontal.
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Figura 2.3 - Esquematização do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal desenvolvido por: (a) Quaresma e (b) Silva.
30 Figura 2. 4 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificação
horizontal.
Fonte: (Costa, 2013).
Para analisar experimentalmente a solidificação, vários trabalhos foram desenvolvidos na literatura utilizando-se dessas configurações de dispositivos (vertical e horizontal) que provocam a unidirecionalidade de extração de calor (Siqueira, 2002; Rocha, 2003; Peres, 2004; Spinelli, 2005; Boeira, 2006; Rosa, 2007; Canté, 2009; Silva, 2011, Nogueira, 2011; Moutinho, 2012; Gomes, 2012; Costa, 2013; Carvalho, 2013, Guimarães, 2014).
2.3 - FORMAÇÃO DA MACROESTRUTURA
Na temperatura em que o metal encontra-se no estado físico de agregação líquido, não existe uma ordenação atômica regular (estrutura amorfa), pois os átomos possuem um alto nível de energia, que pode ser representado pela cinética e potencial. A primeira energia está relacionada à movimentação atômica e a segunda à distância interatômica. No instante em que ocorrer extração forçada da carga térmica ou uma dissipação natural em função da geometria e constituinte do recipiente que acomoda o metal líquido, desencadeia-se o processo de solidificação que tenderá a arranjar os átomos com uma determinada simetria espacial e regular.
A evolução da solidificação só é possível devido à ocorrência do processo de nucleação e crescimento dos núcleos formados pelo mecanismo de adição de átomos, originando os grãos cristalinos. A nucleação só ocorre quando a energia cinética de
31 vários átomos do metal líquido atinge um valor suficientemente baixo, permitindo que eles ocupem posições de equilíbrio na rede cristalina. Daí em diante o núcleo continua crescendo à medida que a extração de calor evolui, desde que a variação total de energia livre dê condições para a continuidade do crescimento, caso contrário o embrião sólido volta a se dissolver no líquido. Em termos da solidificação direcional, onde a extração da carga térmica ocorre em uma única direção, logo após a formação dos primeiros núcleos cria-se uma pequena casca sólida que define a interface sólido/líquido, que representa uma separação física entre os dois estados de agregação.
As estruturas de solidificação podem ser subdivididas em: macroestruturas e microestruturas, como podem ser observadas na ilustração esquemática da Figura 2.5. Torna-se importante salientar que se denominam macroestruturas as formações morfológicas estruturais que são observadas e avaliadas a olho nu, ou com auxílio do aumento óptico em até de 10 vezes (Siqueira, 2002; Osório, 2004; Garcia, 2007). As microestruturas, no entanto, só são efetivamente observadas por intermédio de aumentos ópticos no mínimo na ordem de 10 vezes e avançando na observação nanométrica com auxílio da microscopia eletrônica.
Figura 2.5 – Representação esquemática das estruturas de solidificação em escala macroestutural e microestrutural.
Fonte: (Osório, 2004).
No que se refere às macroestruturas de solidificação, apresentadas esquematicamente pela Figura 2.5, o estudo das mesmas tem um destaque no campo
32 científico por permitirem o controle das propriedades mecânicas dos metais através da geometria, dimensão, distribuição e orientação cristalográfica dos cristais produzidos durante o processo de formação do metal sólido, o que é possível através do estudo, entendimento, identificação e controle dos mecanismos geradores. A seguir serão analisados os mecanismos de formação dessas zonas estruturais, os fatores que interferem em tais mecanismos bem como as possibilidades de se manipular tais fatores com o objetivo de se programar a estrutura resultante. A figura 2.6 representa as zonas dessas estruturas a serem estudadas.
Figura 2.6 – Representação esquemática das estruturas coquilhada, colunar e equiaxial.
Fonte: Santos (2006).
2.3.1. Zona Coquilhada
A zona coquilhada é constituída de grãos de dimensões muito pequenas que apresentam direções cristalinas aleatórias, sendo localizada junto às paredes do molde. São quatro os principais mecanismos apresentados pela literatura para explicar a formação da zona coquilhada:
(a) Mecanismo de Henzel (Nucleação Copiosa / 1937)
A zona coquilhada surge em função de uma nucleação copiosa em uma camada de líquido super-resfriado existente junto às paredes do molde, como consequência de
33 gradientes térmicos e composicionais. A nucleação ocorre sobre substratos que podem ser substâncias presentes ou introduzidas no líquido bem como as paredes do molde. Na Figura 2.7, apresentada abaixo, Santos (2006) mostra os perfis da temperatura real e da temperatura liquidus na interface S/L caracterizando a região de super-resfriamento constitucional.
Figura 2.7 – Perfis de temperatura real e da temperatura liquidus na interface S/L caracterizando a região de super-resfriamento constitucional.
Fonte: Santos (2006).
(b) Mecanismo de Bower e Flemings (Multiplicação Cristalina / 1967)
Os autores afirmam que a formação da referida zona se deve à separação de ramos dendríticos dos cristais, provocada pela presença de convecção no líquido. De acordo com os mesmos, na ausência de convecção no líquido não ocorre a formação da zona coquilhada.
(c) Mecanismo de Biloni e Morando (1968)
Os autores verificaram que tanto a nucleação copiosa como a multiplicação cristalina são mecanismos responsáveis pela formação da zona coquilhada e que a participação de cada um dos mesmos depende das condições de extração de calor pelo molde, ou seja, em sistemas de alta extração de calor predomina o mecanismo da
34 nucleação copiosa, enquanto que com a diminuição da taxa de extração de calor o mecanismo da multiplicação cristalina passa a ser o mais importante.
(d) Mecanismo de Ohno (Estricção / 1970)
A zona coquilhada é formada devido a precipitação de grãos nucleados de pequenas dimensões sobre as paredes do molde em regiões mais drasticamente resfriadas, como o topo do lingote, para a região de líquido adjacente a essas paredes. Afirma, ainda, que a separação dos cristais das paredes do molde ocorre devido às flutuações térmicas ou turbulência no líquido. Para que isto aconteça é necessário que exista soluto no líquido provocando a estricção dos cristais que surgem nas paredes do molde, conforme indicado na Figura 2.8.
Figura 2.8 – Mecanismo proposto por Ohno para a formação da zona coquilhada onde observasse a estricção de grãos coquilhados sobre as paredes do molde.
Fonte: Moutinho (2011); Almeida (1999).
De modo geral, pode-se dizer que lingotes obtidos em condições práticas de fundição podem apresentar zonas coquilhadas de diferentes espessuras, com grãos de diferentes dimensões, ou mesmo não apresentar esta zona em função das características operacionais e metalúrgicas do sistema metal/molde. Os fatores que interferem na formação da zona coquilhada podem ser avaliados através dos mecanismos que descrevem sua formação.
35
2.3.2 Zona colunar
A zona colunar é constituída de grãos alongados segundo a direção do fluxo de calor sendo extraído do líquido, isto é, normal às paredes do molde. Tais grãos possuem dimensões bastante superiores aos grãos da zona coquilhada apresentando, portanto, direções cristalográficas fortemente orientadas. São dois os principais mecanismos apresentados para explicar a formação da zona colunar:
(a) Mecanismo de Chalmers e Walton (Crescimento Seletivo / 1959)
Os grãos colunares são formados a partir de um crescimento seletivo, conforme a direção preferencial do fluxo de calor, de determinados grãos da zona coquilhada. Assim, os grãos coquilhados nucleados nas paredes do molde possuem uma direção preferencial de crescimento relacionada em geral com os planos cristalográficos mais compactos. Nos instantes iniciais da solidificação, os cristais crescem com maior velocidade lateralmente uma vez que as paredes do molde e regiões adjacentes são as áreas de menor temperatura. Como estas áreas encontram-se preenchidas por grãos coquilhados, o sólido passa a crescer em direção ao líquido. Neste instante, os cristais que apresentarem a direção preferencial segundo o fluxo de calor crescerão mais rapidamente que cristais vizinhos com orientações desfavoráveis chegando após um determinado tempo a suprimi-los. Os cristais sobreviventes ao crescimento seletivo constituirão a zona colunar conforme pode ser observado esquematicamente na Figura 2.9.
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Figura 2.9 - Mecanismo do crescimento seletivo proposto por Chalmers e Walton para explicar a formação da zona colunar.
Fonte: Moutinho (2011); Almeida (1999).
(b) Mecanismo de Chalmers e Biloni (1965)
Estes autores, ao observarem a presença de grãos equiaxiais no interior da zona colunar, sugerem que nem todos os grãos desta zona estrutural seriam necessariamente originados a partir de grãos coquilhados formados diretamente nas paredes do molde. Os grãos colunares poderiam também ser nucleados a partir de grãos coquilhados formados na superfície do lingote e que decantariam para o interior do líquido.
2.3.3 Zona Equiaxial
A zona equiaxial é caracterizada pela presença de grãos que crescem em direções cristalográficas aleatórias, com dimensões maiores que os grãos da zona coquilhada, localizando-se na região central do lingote. Pode ser formada por nucleação direta à frente da zona colunar em crescimento, a partir da ruptura da própria zona colunar ou por crescimento de cristais originados em outras regiões do líquido que seriam arrastados até o centro do lingote onde cresceriam. São seis as principais teorias propostas para explicar a sua formação:
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(a) Mecanismo de Chalmers e Winegard (Super-resfriamento Constituicional / 1953)
Ao observar a ausência de zona equiaxial em metais puros e que o aumento do teor de soluto no líquido favorece a presença de grãos equiaxiais, os autores propõem que esses grãos são nucleados diretamente no líquido diante da zona colunar em crescimento. A rejeição de soluto à frente da interface de crescimento colunar possibilita o super-resfriamento constitucional do líquido nesta região, tornando viável a nucleação, admitindo-se como possível a ocorrência local de alto teor de soluto, baixa taxa de difusão de soluto no líquido e gradientes térmicos adequados. Surgem então grãos formados com orientações cristalográficas aleatórias e morfologia dendrítica uma vez que a solidificação ocorre na presença de super-resfriamento constitucional. Portanto, o aparecimento de grãos equiaxiais ocorre nos instantes finais da solidificação quando altos gradientes de soluto são atingidos no líquido à frente da zona colunar até bloquearem completamente os grãos da mesma, como mostra a Figura 2.10.
Figura 2.10 – Formação de grãos equiaxiais à frente da zona colunar em crescimento durante a solidificação da liga Al-3,5%Ni.
Fonte: Reinhart et al (2005).
(b) Mecanismo de Chalmers e Biloni (Big-Bang / 1963)
Núcleos coquilhados, formados durante o vazamento nas paredes do molde e/ou em regiões de líquido adjacentes às mesmas, são transportados para o centro do lingote e mantidos em uma zona de líquido super-resfriada constitucionalmente. Tais núcleos continuam crescendo equiaxialmente, pois não se encontram em contato com qualquer frente de solidificação. Os grãos equiaxiais são mantidos no líquido até que o seu crescimento bloqueie a zona colunar, apresentado na Figura 2.11.
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Figura 2.11 – Simulação do transporte de grãos coquilhados, localizados à frente da zona colunar em crescimento, para o centro do lingote.
Fonte: Moutinho (2011) e Almeida (1999)
(c) Mecanismo de Jackson e colaboradores (Multiplicação Cristalina / 1966)
Os autores observaram um terceiro mecanismo atuando na formação de grãos equiaxiais originados a partir de grãos colunares onde parte de suas ramificações dendríticas secundárias são quebradas devido a ação de correntes de convecção no líquido, sendo então liberadas para a região localizada à frente da interface sólido/líquido. Os ramos dendríticos separados da zona colunar devem encontrar condições de crescimento no líquido à frente da interface de solidificação a fim de constituírem a zona equiaxial. Tan e Zabaras (2007) simularam quebra de ramificações dendríticas de grãos colunares por correntes de convecção forçada no líquido como mostra a Figura 2.12.
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Figura 2.12 – Simulação da quebra de ramificações dendríticas de grãos colunares por correntes de convecção forçada no líquido.
Fonte: : Moutinho (2011) e Almeida (1999).
(d) Mecanismo de Southin (Decantação / 1967)
Os grãos equiaxiais são formados a partir de dendritas ou parte de dendritas precipitadas da superfície livre para o interior do líquido, onde crescem constituindo a zona equiaxial. Southin admite que pequenas vibrações na superfície livre do líquido, o próprio peso do sólido formado ou ainda a ruptura intergranular dessa camada sólida por imposição da retração para a formação do rechupe, possibilitam a precipitação de dendritas ou parte destas para o interior do líquido à frente da zona colunar em crescimento. Essas dendritas, em contato com o sólido já formado, têm o seu calor rapidamente retirado por condução e tendem a crescer na direção do fluxo de calor não havendo necessidade, portanto, de super-resfriamento do líquido à frente da interface de crescimento.
(e) Mecanismo de Ohno e Motegi (Separação / 1970)
Os grãos equiaxiais são formados por meio do crescimento de grãos coquilhados nas paredes do molde de onde são separados e conduzidos para o interior do líquido por correntes de convecção. De acordo com o explicado anteriormente, para a formação da zona coquilhada, os cristais nucleados em contato com as paredes do molde ao
40 crescerem desenvolvem estricção por efeito da rejeição de soluto possibilitando sua fácil remoção das paredes. Para a atuação do mecanismo são necessárias, portanto, condições de nucleação de grãos coquilhados, teor de soluto suficiente para produzir estricção, rápida separação destes cristais iniciais e condições térmicas no líquido para a sobrevivência dos cristais separados, conforme mostrado anteriormente na Figura 2.8.
(f) Mecanismo da Nucleação Extensiva
Este mecanismo ocorre quando potentes substratos de nucleação são inoculados no líquido. A nucleação sobre substratos eficientes requer condições energéticas pouco severas, podendo ocorrer extensivamente, ou seja, em todo o volume do líquido ao mesmo tempo desde que haja super-resfriamento suficiente. Assim, núcleos sólidos surgem em todo o volume líquido crescendo de maneira equiaxial e simultaneamente, suprimindo a possibilidade do crescimento colunar. A nucleação extensiva pode ocorrer também via coquilhamento em lingotes de pequenas dimensões, isto é, a estrutura pode se apresentar totalmente equiaxial devido o forte coquilhamento nos estágios iniciais da solidificação não ocorrendo, portanto, distinção entre a zona equiaxial e a zona coquilhada. Analisando-se os mecanismos apresentados observa-se que de maneira geral a extensão, localização e dimensão dos grãos da zona equiaxial dependem das seguintes condições:
Nucleação intensa nos estágios iniciais do resfriamento em todo o volume do líquido e na superfície livre do mesmo durante o processo de solidificação.
Geração de novos núcleos sólidos a partir da zona colunar em crescimento.
Arraste de grãos e partículas sólidas desprendidas da zona coquilhada, superfície livre do líquido e/ou zona colunar para o líquido à frente da interface de solidificação.
Sobrevivência e crescimento de grãos e partículas sólidas arrastadas para o líquido diante da zona colunar.
41 Tais condições, por sua vez, dependem das características termofísicas do sistema metal/molde, bem como das condições operacionais envolvidas no processo de solidificação.
Alguns fatores podem favorecer a sobrevivência das ramificações dendríticas destacadas do crescimento colunar bem como dos cristais coquilhados arrastados pelas correntes convectivas e, consequentemente, aumentar a dimensão da zona equiaxial (Garcia, 2001):
Superaquecimento: Valores elevados favorecem a refusão de cristais e ramificações dendríticas promovendo, por conseguinte, o aumento da extensão da zona colunar. O superaquecimento é menos significativo na estrutura de grãos de fundidos de grandes dimensões.
Ligas com grandes intervalos de solidificação: Maiores intervalos de solidificação, ou qualquer outro fator que proporcione um maior distanciamento entre as pontas e as raízes das dendritas, induzem um maior comprimento dendrítico tornando, portanto, as mesmas mais sujeitas à fragmentação.
Composição da liga: Aumentos no teor de soluto da liga (C0) tendem a diminuir a extensão da região colunar. Alguns estudos relatam, no entanto, que a região colunar não é uma simples função da concentração da liga.
Refinadores de grão: A produção de núcleos pode não ser suficiente para gerar a zona equiaxial. A adição de refinadores de grão pode reduzir a extensão do crescimento colunar.
Moldes com baixas difusividades de calor como, por exemplo, de areia que quando comparados com moldes metálicos induzem gradientes térmicos menores na zona pastosa, favorecendo o crescimento de dendritas mais longas.
Movimento convectivo (natural ou forçado): A ação mecânica das correntes convectivas contribui para a fragmentação das ramificações dendríticas e, ao mesmo tempo, favorece a dissipação do superaquecimento aumentando as chances de sobrevivência dessas ramificações diminuindo, assim, a extensão da região colunar.
42 Estes três mecanismos de geração de núcleos formadores da zona equiaxial foram constatados em diferentes observações experimentais, principalmente naquelas desenvolvidas com compostos orgânicos. Possivelmente, todos eles ocorram simultaneamente durante a solidificação da maioria das ligas de interesse industrial.
2.4. TRANSIÇÃO COLUNAR-EQUIAXIAL (TCE)
A previsão da transição colunar - equiaxial (TCE) é de grande interesse para a avaliação e o projeto das propriedades mecânicas de produtos solidificados. Assim, os pesquisadores necessitam de um razoável entendimento a respeito da influência dos parâmetros envolvidos na solidificação a fim de melhorar a eficiência e desempenho dos materiais de modo que a TCE pode ser considerada como um importante objeto da investigação no que diz respeito à solidificação direcional de ligas metálicas. Por isso, é necessário entender os mecanismos que levam a essa transição.
A literatura apresenta uma extensa série de trabalhos teóricos e experimentais (Doherty, 1977; Hunt, 1984), que revelam os principais fatores de influência como: o superaquecimento (que quanto maior impede a formação de zona equiaxial ou retarda a TCE, aumentando dessa forma o comprimento relativo da zona colunar); o aquecimento do molde (que provoca efeito semelhante); a capacidade de resfriamento na interface metal/molde traduzida pelo coeficiente de transferência de calor hi (influi retardando a transição para valores de hi mais elevados); taxas de resfriamento (quanto mais elevadas favorecem o aumento da zona colunar); o teor de soluto (na composição química da liga atua no sentido de favorecer a transição à medida que é aumentado, podendo ocorrer exceções, como é o caso do teor de carbono nos aços) e, por fim, o tamanho do molde (que se aumentada a seção transversal favorece a formação da zona equiaxial, já que o efeito do superaquecimento é diminuído) (Ares e Schvezov, 2000; Canté, 2007; Doherty, 1977; Flood e Hunt, 1987; Siqueira, 2003; Wang e Beckermann, 1994; Willers, 2005).
A TCE tem sido objeto de estudos numéricos (Badillo e Beckermann, 2006; Dong e Lee, 2005; Ludwig E Wu, 2005; Wang e Beckermann, 1994) e analíticos (Flood e Hunt, 1987A; Flood e Hunt, 1987B; Hunt, 1984) empreendidos com vistas a modelagem deste fenômeno. Estes estudos destacam a importância do crescimento dos grãos equiaxiais e colunares e desenvolvem expressões e\ou procedimentos numéricos
