Serviço Público Federal Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial - PPGEI
CHARLES BISPO GUIMARÃES
ANALISE DA USINABILIDADE DA LIGA AL-7%SI SOLIDIFICADA EM UM SISTEMA UNIDIRECIONAL HORIZONTAL.
Belém-PA 2014.
CHARLES BISPO GUIMARÃES
ANALISE DA USINABILIDADE DA LIGA AL-7%SI SOLIDIFICADA EM UM SISTEMA UNIDIRECIONAL HORIZONTAL.
Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Industrial do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará, como requisito necessário para obtenção do título de Mestre em Engenharia Industrial. Área de concentração - Processos de Fabricação.
Orientador: Profa. Dra. Maria Adrina Paixão de Souza da
Silva.
Belém-PA 2014.
CHARLES BISPO GUIMARAES
ANALISE DA USINABILIDADE DA LIGA AL-7%SI SOLIDIFICADA EM UM SISTEMA UNIDIRECIONAL HORIZONTAL.
Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Industrial do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará, como requisito necessário para obtenção do título de Mestre em Engenharia Industrial. Área de concentração - Processos de Fabricação.
Orientador: Profa. Dra. Maria Adrina Paixão de Souza da Silva.
Belém-PA 2014.
DEDICATÓRIA
A minha mãe, Gilma Bispo Guimarães e ao meu pai, Paulo Cesar Guimarães.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por me direcionar e mostrar qual o caminho a trilhar, dando-me força e garra o suficiente para continuar e, ainda, suprindo todas as minhas necessidades.
À minha família, ao qual amo muito. Um obrigado especial à minha mãe e meu pai pela paciência, carinho e ensinamentos ao longo dessa jornada.
À minha orientador, a Professora Maria Adrina Silva, por acreditar em mim e no futuro desse trabalho e sua contribuição ao meu crescimento profissional.
À minha amada esposa, Kene Paes, pelo incentivo, motivação e paciência dedicadas no decorrer do trabalho.
À minha amiga, Enfermeira Fabiane Lobo, por seu apoio e ajuda na consolidação desta dissertação.
Aos amigos que fizeram parte desses momentos sempre me ajudando e incentivando. Aos Colegas da UFPA que me ajudaram nos testes no laboratório da UFPA durante a etapa de usinagem e captação de temperatura de corte.
À colega, Tereza Rodrigues Felipe, do Instituto ITEGAM, que sempre se mostrou solidária e prestativa todas as vezes que foram necessárias.
EPÍGRAFE
“Aproveite as idéias que as pessoas te apresentam, pois até mesmo um relógio parado está certo duas vezes por dia”
RESUMO
Usinagem é provavelmente o processo de fabricação mais amplamente utilizado e os metais e ligas formam o grande percentual de materiais usinados. Durante o processo de usinagem, uma imensa quantidade da energia é convertida em calor e como a temperatura de corte é então de fundamental importância no processo de usinagem, muito tem se estudado nesse sentido, mas são bastante escassos na literatura estudos que avaliem a influência da estrutura da peça de trabalho na temperatura de corte. Nesse sentido, sabe-se que a relação entre processamento, estrutura, propriedades e comportamento de um material é de extrema importância uma vez que a estrutura, que depende de como esse material é processado, exerce uma grande influência nas propriedades dos produtos obtidos e sua performance depende diretamente delas, como por exemplo a usinabilidade. Essas propriedades estão fortemente relacionadas à composição química do material, que associada às condições de resfriamento empregadas definem a estrutura final da peça, ou seja, o controle das variáveis térmicas de solidificação para uma determinada composição química da liga definem a estrutura final de solidificação, como os espaçamentos dendríticos. O objetivo deste trabalho é investigar a influência dos parâmetros térmicos e dos espaçamentos dendríticos secundários (λ2) da liga Al-7%Si solidificada em um dispositivo de solidificação direcional horizontal nas temperaturas de corte obtidas durante o sangramento no torno. Em todos os sangramentos realizados, houve um aumento significativo da temperatura de corte, seguido de um leve decréscimo ao final do processo. Além disso, leis experimentais do tipo potência relacionando temperatura de corte com taxa de resfriamento, velocidade de solidificação e espaçamentos dendríticos secundários puderam ser desenvolvidas.
Palavras-Chave: Solidificação direcional horizozntal; Temperatura de corte; Espaçamento dendrítico secundário;
ABSTRACT
Machining is probably the most widely used manufacturing process and metals and alloys form a large percentage of machined materials. During the machining process, a considerable amount of the machine energy is transferred into heat and as the cutting temperature is of fundamental importance in machining processes, much has been studied on this sense but are scarce literature studies on the influence of structure of the workpiece in the cutting temperature. On this way, it is known that, the relationship between processing, structure, properties and behavior of a material is extremely important because its structure, which depends on how the material is processed, exerts a high influence on the properties of the obtained products and their performance depends directly on these properties, such as machinability. These properties have a strong relationship with the chemical composition of the material that associated with the cooling conditions employed define the final structure of the piece, i.e., the control of the solidification thermal variables for a particular chemical composition of the alloy set the final structure, such as dendritic arm spacing. The aim of this research is to investigate the influence of solidification thermal parameters and the secondary dendritic arm spacing (λ2) of an Al-7wt%Si alloy solidified on a transient horizontal directional device on the cutting temperatures during turning bleeding. In all of the performed bleedings, there was a significant increase in cutting temperature, followed by a slight decrease at the end of the process. Moreover, experimental power function laws relating cutting temperature with cooling rate, solidification rate and secondary dendrite arm spacing could be developed.
Keywords: Directional horizontal solidification; Cutting temperature; Secondary dendritic arm spacing; Thermal
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Representação esquemática da obtenção das amostras para macroestruturas e
microestruturas...20
Figura 2.1 - Usinagem de alumínio...23
Figura 2.2 - Principais elementos de liga metálica de alumínio...24
Figura 2.3 – Aresta postiça (B.U.E)...29
Figura 2.4 - Elemento de referência representativo do sistema metal/molde...31
Figura 2.4.1 - Encadeamento de fatores e eventos durante a solidificação de um metal...32
Figura 2.4.2 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificação vertical ascendente...36
Figura 2.4.3 - Representação esquemática do banco experimental do dispositivo de solidificação vertical descendente...37
Figura 2.4.4 - Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal...38
Figura 2.4.5 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde durante a solidificação horizontal...39
Figura 2.4.6 – (a) Gradiente de temperatura da linha liquiduse (b) Perfis de temperatura real...40
Figura 2.4.7 – (a) Esquema do desenvolvimento de uma interface celular (b) Interface com estrutura tipicamente celular obtida através de MEV...41
Figura 2.4.8 – Imagens de estrutura dendrítica...42
Figura 2.4.9 – Representações esquemáticas da atuação dos fatores de influência na formação das microestruturas de solidificação...43
Figura 2.4.10 - Espaçamentos interdendríticas primários, secundários e terciários...43
Figura 3.1.1 – (a) Diagrama de fases binário do sistema Al-Si e (b) Curva de resfriamento de liga Al-7%Si...47
Figura 3.1.2 – (a) Balança digital; (b) Cadinho; (c) Forno mufla...48
Figura 3.1.3 – (a) Termopar do tipo K; (b) Registrador de temperatura...49
Figura 3.1.4 – (a) Molde de silicone; (b) Lixadora e politriz rotativa; (c) Pasta de diamante...50
Figura 3.1.5 – (a) Microscópio ótico acoplado ao sistema de aquisição de imagem; (b) Tela de trabalho de imagem tool; (c) Tela de trabalho do OriginPro 8...50
Figura 3.1.7 – Imagens ilustrativas do dispositivo de solidificação horizontal refrigerado a água...52 Figura 3.1.8 – Esquematização do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal acoplado ao sistema de aquisição de dados utilizados neste trabalho...52 Figura 3.2.1 – Representação esquemática da obtenção das amostras para macroestruturas e microestruturas...56 Figura 3.2.2 – Microestruturas dendríticas das posições 10, 30 e 60 mm obtidas para a liga Al-7%Si...57 Figura 3.2.3 – (a) Macroestrutura da liga Al-7%Si com detalhe esquemático da retirada do corpo de prova na zona colunar e (b) corpo-de-prova utilizado no ensaio...58 Figura 3.2.4 – Imagem do experimento de medição de temperatura de corte...60 Figura 4.1 - Taxas de resfriamento a partir da interface metal/molde em função da posição...62 Figura 4.2 – Espaçamentos dendríticos secundários em função da posição a partir da interface metal/molde da liga investigada...62 Figura 4.3 - Espaçamentos dendríticos secundários em função da taxa de resfriamento para a liga investigada...63 Figura 4.4 - Espaçamentos dendríticos secundários em função da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus para a liga investigada...63 Figura 4.5 – Temperatura do corte em função do tempo de sangramento para cada corpo-de-prova...64 Figura 4.6 – Perfil de temperatura de corte para cada faixa de posições...65 Figura 4.7 – Temperatura máxima de corte em função da taxa de resfriamento para a liga Al-7%Si solidificada no dispositivo horizontal...66 Figura 4.8 – Temperatura máxima de corte em função da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus para a liga Al-7%Si solidificada no dispositivo horizontal...66 Figura 4.9 – Temperatura máxima de corte em função do espaçamento dendrítico secundário para a liga Al-7%Si solidificada no dispositivo horizontal...67 Figura 4.10 – Temperatura média de corte em função do espaçamento dendrítico secundário para a liga Al-7%Si solidificada no dispositivo horizontal...68
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Composição química dos metais empregados na preparação da liga estudada...46 Tabela 3.2 – Faixa de posições a partir da interface metal/molde de cada corpo-de-prova...59 Tabela 5 – Equações experimentais na forma de potência...70
NOMENCLATURAS
VL – Velocidade da isoterma liquidus...16
TR – Taxa de resfriamento...16
GL – Gradiente de temperatura...16
ASM – American Society of Materials………..19
HSC – High Speed Cutting………...……….20
AA – Aluminum Association……….24
HSM – High Speed Machining………...26
TL - Temperatura liquidus...31
TV- Temperatura de Vazamento...31
SRC – Super-resfriamento Constitucional...40
GPM – Grupo de pesquisa em metalurgia física e de transformação...53
GPSOL - Grupo de Pesquisa em Solidificação...53
SIMBOLOGIA
λ1 - Espaçamento dendríticos primários ...16
λ2 – Espaçamento dendríticossecundários...16
λ2 - Espaçamento dendríticos terciários...16
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
1.1 Considerações Iniciais ... 14
1.2 Objetivos deste trabalho ... 18
2 REVISÃO DE LITERATURA... 19
2.1 Principais Contribuições Científicas ou Tecnológicas ... 19
2.1.1 Usinagem e Usinabilidade ... 19
2.2. Alumínio e suas Ligas ... 22
2.3 Cálculo de Temperatura de Usinagem... 24
2.3.1 Aresta Postiça de Alumínio ... 28
2.4 Varíaveis Térmicas de Solidificação ... 30
2.4.1 Variáveis térmicas e estruturas de solidificação ... 33
2.5 Microestruturas de Solidificação e Propriedades Mecânicas ... 44
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 45
3.1 Materiais ... 45
3.1.1 A liga do sistema Al-Si... 45
3.1.2 Equipamentos e Materiais Utilizados ... 46
3.1.3 Descrição do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal ... 49
3.2 Métodos ... 51
3.2.1 Procedimento Experimental Para a Obtenção da Liga Investigada ... 51
3.2.2 Procedimento Experimental para Determinação das Variáveis Térmicas de Solidificação (VL e TR)... 52
3.2.3 Aspectos Macroestruturais e Microestruturais ... 53
3.2.4 Procedimento Experimental Para Determinação da Temperatura de Corte Para Diversas Posições do Lingote... 56
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 59
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 67
5.1 Sugestões Para Trabalhos Futuros... 68
14
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais
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. Não obstante a isso, dependendo da aplicação, um material precisa ter propriedades mecânicas e de fabricação em níveis aceitáveis, elevada resistência à ação corrosiva e um comportamento tribológico que lhe garanta uma longa vida útil. Estas características do material interferem na eficiência de uma peça ou equipamento durante operação. Nesse sentido, diversos sistemas de liga têm sido estudados e desenvolvidos com esse propósito ao longo dos últimos anos, destacando-se nesse contexto as ligas à base de alumínio por conta das suas características físico-químicas, ou seja, baixo peso específico, boa resistência à corrosão, elevadas condutibilidades elétrica e térmica além da capacidade do alumínio em combinar-se com a maioria dos metais de interesse para a engenharia, possibilitando a obtenção de características tecnológicas em conformidade com a aplicação do produto final.
Atualmente, são investigadas dezenas de composições diferentes de ligas de alumínio por meio de diversos processos comerciais de fundição. No mercado comercial de ligas fundidas não-ferrosas o silício é o principal elemento constituinte das ligas de alumínio. Aproximadamente 90% dos produtos obtidos a partir de ligas de alumínio são originados de ligas binárias Al-Si. Tais materiais são bastante utilizados na indústria para a fabricação de componentes que são expostos a condições críticas de desgaste, como peças de motor, pistões, cilindros, blocos e cabeçotes. Este vasto campo de aplicação pode ser justificado em virtude das ligas Al-Si apresentarem grande efeito na fundibilidade do alumínio, promovendo fluidez (capacidade para preencher uma cavidade de molde) ao componente, contribuírem para redução do peso específico e da expansão térmica, além de fornecerem melhores propriedades mecânicas e maior resistência à corrosão e à propagação de defeitos, como por exemplo, porosidades e trincas de contração (CRUZ et al., 2010). De maneira geral, existe uma variação do teor de silício em ligas de alumínio, mais comumente utilizadas na prática, em função das propriedades mecânicas que podem ser alcançadas em diferentes processos de fundição. Assim, por exemplo, o teor de silício
15 varia entre 5% e 7% em processos que utilizam moldes refratários (moldes de areia, gesso e cera perdida), 7% e 9% em moldes metálicos e 8% e 12% em moldes utilizados nos processos de fundição sob pressão (ROOY, 1998).
A obtenção de estruturas de solidificação compatíveis com as propriedades mecânicas e de fabricação exigidas é o objetivo fundamental dos estudos realizados no campo da solidificação de metais e um dos mais importantes da metalurgia física em nossos dias (CHALMERS, 1968; MORANDO, 1970; OHNO, 1976; DIETER, 1988; O’DELL et al., 1999; QUARESMA et al., 2000), pois sabe-se que o posterior desempenho das peças obtidas é significativamente influenciado pela estrutura bruta constituída imediatamente após a solidificação.
No que tange aos processos de fabricação, a usinagem é provavelmente o processo de fabricação mais amplamente utilizado e os metais e ligas formam o grande percentual de materiais usinados. Por conta disso, o processo de corte de metais tem sido o foco de muitas pesquisas e publicações. Desde que o homem começou a usinar metais, muitos problemas surgiram e muitas idéias e soluções foram propostas. Com isso, tem-se alcançado um grande progresso com o aumento da taxa de remoção de metal e, consequentemente, redução de custos (SILVA e WALLBANK, 1999).
Sabe-se que o trabalho realizado no processo de usinagem dos metais é convertido em calor, por conta das forças de atrito existentes. De forma simplificada, o trabalho total de usinagem pode ser divido em três partes: trabalho de corte para formação do cavaco e da nova superfície; trabalho para a retirada do cavaco e trabalho para mover a superfície recém formada sobre o flanco da ferramenta. O trabalho para retirada do cavaco envolve a dissipação de calor resultante de fricções internas, enquanto os outros dois são necessários para vencer o atrito entre a ferramenta e o cavaco ou a peça, o que pode envolver fricções internas por conta do contato entre as superfícies (SILVA e WALLBANK, 1999).
O trabalho realizado dependerá do material a ser usinado. Ductilidade, dureza e propriedades térmicas possuem efeito significativo nas forças atuantes, assim como na temperatura gerada. Essas propriedades, somadas às características do material da ferramenta de corte e condições do processo de usinagem definirão a força de corte, e consequentemente o calor gerado.
Como a temperatura de corte é de fundamental importância nos processos de usinagem, muito tem se estudado no sentido do desenvolvimento de novos materiais para ferramentas de
16 corte que possam suportar a altas temperaturas, fatores térmicos que afetam a integridade e a vida da ferramenta e desenvolvimento de fluidos de corte mais eficientes para atuarem como refrigerante (TRENT, 1984; MACHADO, 1993), por outro lado são bastante escassos na literatura estudos que avaliem a influência da estrutura da peça de trabalho na temperatura de corte.
No que se refere à estrutura de peça a ser usinada, a relação entre processamento, estrutura, propriedades e comportamento de um material é extremamente importante, pois é sabido que essa estrutura, que depende da maneira como o mesmo é processado, exerce uma elevada influência nas propriedades dos produtos obtidos e seu desempenho depende diretamente destas propriedades (GARCIA, 2007). Esse contexto vem motivando pesquisadores a desenvolverem estudos objetivando a programação prévia da estrutura final de componentes já a partir da estrutura bruta de solidificação. Analisando-se o processo de solidificação que consiste, essencialmente, na mudança de estado da fase líquida para a fase sólida com liberação de calor latente, vê-se que determinadas propriedades da peça, como é o caso da usinabilidade, têm forte relação com a composição química do material, que associada à condições de resfriamento empregadas determinam a estrutura final da peça, ou seja, o controle das variáveis térmicas de solidificação como velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente de temperaturas (GL), ambas frente à interface de solidificação, para determinada composição química da liga, definirá a estrutura final.
É fato conhecido que a resistência mecânica, dureza e resistência à corrosão são dependentes, dentre outros aspectos, da composição química, dos métodos de fundição, da taxa de solidificação, dos tratamentos térmicos e da microestrutura formada após a solidificação (DOBRZANSKI et al., 2006; CRUZ, 2008; CANTÉ, 2009; GOULART, 2010). O tamanho e a morfologia dos grãos, aliado aos espaçamentos dendríticos primários (λ1), secundários (λ2) e, terciários (λ3), distribuição de porosidade, produtos segregados e outras fases definem as propriedades mecânicas, de resistência à corrosão e, até mesmo, de resistência ao desgaste das ligas de alumínio (SAMUEL et al., 1994; SOKOLOWSK et al., 1995; QUARESMA, 2000; OSÓRIO et al, 2000; LI et al., 2004; CRUZ, 2008; OSÓRIO et al, 2009; CANTÉ, 2009; GOULART, 2010). Espaçamentos menores permitem que a microestrutura seja caracterizada por uma distribuição mais uniforme da segregação microscópica que existe entre as ramificações celulares ou dendríticas, favorecendo o comportamento mecânico do produto solidificado. Como
17 o tempo exigido para a homogeneização das diferenças de concentração provocadas por essa segregação diminui com o decréscimo dos espaçamentos, as condições de resfriamento que venham favorecer a obtenção de materiais com espaçamentos menores são as mais interessantes (SANTOS, 2006). Sendo assim, seria de grande interesse dispor de expressões que relacionassem espaçamentos dendríticos com os parâmetros que quantificam as propriedades mecânicas e de fabricação, tais como usinabilidade.
Com as crescentes exigências da indústria moderna por materiais com propriedades cada vez mais elevadas e com melhor facilidade de conformação mecânica, o 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 a abordagem de algumas metodologias utilizadas no estudo do referido fenômeno destacando-se, por exemplo, a técnica da solidificação direcional, a qual pode ser aplicada tanto em condições estacionárias quanto em regime transiente de extração de calor. Vale destacar que a maioria 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. Assim, importantes estudos (CHALMERS, 1964 e 1968; FLEMINGS, 1974; HUNT, 1979; KURZ e FISHER, 1981, 1992; HUNT e LU, 1996; BOUCHARD e KIRKALDY, 1997; CANTÉ, 2008; ÇARDILLI et al., 2000; DING e TEWAR1, 2002; FERREIRA et al., 2003; CRUZ; GOULART, 2008, 2010; OZÓRIO, 2000; PEIXOTO, 2009; PERES et. al., 2004; QUARESMA, 2004; ROCHA, 2003A, 2003B E 2003C, ROSA et al., 2006; SILVA, 2008; SILVA et al., 2009., 2011; SIQUEIRA, 2002; SPINELLI e GARCIA, 2005; SPINELLI et al., 2011; MOUTINHO, 2012, GOUVEA, 2012) têm sido realizados nas últimas décadas com o objetivo de ser estabelecida de forma sistematizada a influência dos diversos parâmetros térmicos e operacionais envolvidos no fenômeno da solidificação sobre a estrutura resultante, buscando elevar as propriedades mecânicas e, por conseguinte, o desempenho dos materiais solidificados por meio de procedimentos experimentais na grande maioria implementados em sistemas de solidificação direcionais verticais ascendentes e poucos descendentes (SPINELLI e GARCIA, 2005; SPINELLI et al., 2011). Recentemente, estudos têm sido conduzidos visando à verificação da influência de correntes convectivas sobre o arranjo da estrutura de solidificação, através de
18 experimentos realizados em um dispositivo de solidificação unidirecional horizontal (MOUTINHO, 2007; MOUTINHO, 2011; NOGUEIRA, 2011), promovendo o contraponto com a solidificação nos sistemas verticais ascendente e descendente, comparando as três configurações quando são solidificadas ligas de mesma composição.
1.2 Objetivos deste trabalho
Considerando o exposto bem como a importância da usinagem e das ligas do sistema Al-Si, o objetivo deste trabalho é a medição da temperatura de corte da liga Al-7%Si e sua respectiva correlação com os espaçamentos dendríticos. Para tanto, foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos para este trabalho:
Revisar a literatura existente sobre o estudo a respeito de usinabilidade, temperatura de corte e espaçamentos dendríticos em ligas solidificadas unidirecionalmente nos sistemas verticais ascendente, descendente e horizontal.
Calcular experimentalmente, as temperaturas de corte para o sangramento da liga Al-7%Si solidificada em um dispositivo direcional horizontal refrigerado a água em condições transientes de extração de calor.
Correlacionar as temperaturas de corte obtidas para os sangramentos feitos ao longo do lingote com a posição deste a partir da interface metal/molde.
Correlacionar as variáveis térmicas de solidificação (VL e TR) e os parâmetros microestruturais experimentais (λ2) obtidos para a liga em questão com as temperaturas de corte obtidas, determinando equações experimentais.
19
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Principais Contribuições Científicas ou Tecnológicas
2.1.1 Usinagem e Usinabilidade
A grande parte dos produtos que são industrializados, em alguma etapa de sua produção, sofre algum processo de usinagem. A usinagem está presente na confecção de diversos produtos de diferentes ramos setoriais.
A usinagem é um processo de fabricação por remoção de cavacos. Sendo assim, todo processo em que há uma peça bruta que, após ser removido material em forma de cavaco de seu interior e exterior, formando uma peça com superfícies desejadas, detalhadas e acabadas de forma que satisfaça plenamente ao cliente, é considerado um processo de usinagem (SANTOS; DIAS, 2010).
O termo usinabilidade pode ser usado para indicar a facilidade ou a dificuldade de se usinar um material afim de se obter tamanho, forma e acabamento superficial desejado (ASM, 1990). São muitas as variáveis que podem ser consideradas como medidas da usinabilidade de um material, como por exemplo: o acabamento superficial, a força de corte, a temperatura de corte, a vida da ferramenta, o controle do cavaco, a produtividade entre outros.
É preciso tomar cuidados especiais na determinação da usinabilidade de um material específico, pois, em diferentes condições, um grupo de materiais pode não ter a mesma classificação, ou seja, um material que tenha sido classificado como possuindo uma excelente usinabilidade, em comparação com outros materiais, quando utilizando uma determinada variável, pode não ter tão boa classificação quando for obtida considerando-se outra variável. Assim a usinabilidade é considerada como uma função do teste, e qualquer número de usinabilidade deve acompanhar uma descrição completa do teste (MACHADO e SILVA, 1993).
Para Farias et al. (2011) a usinabilidade de um material, apesar de não se tratar de uma propriedade característica por não haver um ensaio específico para a mesma, pode ser analisada, quantificada e inferida a um determinado material por meio de observações relativas à vida útil de uma ferramenta de corte, taxa de remoção de material, dinâmica do evento de usinagem
20 (avaliação de forças de corte e vibração do conjunto máquina/ferramenta) e caracterização de cavaco produzido durante a usinagem.
De acordo com o autor citado acima a usinagem de materiais com ferramentas de corte ainda hoje não é completamente entendida apesar de ser aplicada constantemente. É dita uma área restrita à tecnologia, pois na indústria onde é amplamente aplicada não são os engenheiros que pesquisam e modelam, mas sim os técnicos que executam experimentos, tentando identificar qual será a melhor condição de ferramenta para o material da peça específica.
Parâmetros de usinagem são funções do processo de usinagem, da máquina ferramenta, do tipo de material a ser usinado e da ferramenta de corte utilizada. Os parâmetros de corte relacionados com o processo de usinagem e a máquina ferramenta são a velocidade de corte, avanço, profundidade de corte e fluido de corte. Para a ferramenta de corte os parâmetros são o material, a forma e a geometria da ferramenta e para o material a ser usinado a composição química, dureza e tipo de tratamento superficial (NOGUEIRA, 2002).
Tão importante como as propriedades de desempenho (resistência mecânica, à corrosão, etc.), as propriedades de fabricação como a soldabilidade e a usinabilidade devem ser sempre consideradas na seleção de materiais metálicos.
É de conhecimento geral que a usinagem constitui-se num dos mais importantes processos de fabricação da indústria metal-mecânica. Justamente por este motivo, a preparação de equipamentos, tanto quanto a aferição dos instrumentos, apresentam-se como fundamentais para a realização dos processos de usinagem (FAUSTINO et. al., 2007). A melhora na operação de usinagem está relacionada com a obtenção de componentes com as dimensões desejadas e qualidade superficial satisfatória. Além disto, podem ser obtidos grandes aumentos de produtividade. As vantagens econômicas da escolha certa do material a ser usinado, assim como as ferramentas, fluido de corte, equipamento e condições de usinagem, são consideráveis. Os custos e tempos de produção podem ser significativamente reduzidos através da escolha certa desses parâmetros (TESSLER et al., 1993).
A cada dia surge uma nova tecnologia de usinagem, sendo a de altíssimas velocidades de corte (HSC -High Speed Cutting) a mais aplicada nas indústrias desde seu surgimento na década de 70.
O estudo dos processos de usinagem com altíssimas velocidades de corte torna-se estratégico para o desenvolvimento tecnológico do País e das indústrias aqui instaladas,
21 possibilitando a conquista ou manutenção da competitividade em nível internacional. Para isso, no entanto, é necessário um programa de médio\longo prazo para que a tecnologia possa ser plenamente desenvolvida e incorporada aos sistemas produtivos.
Atualmente nos países industrializados, o custo com usinagem soma mais de 15% de todos os processos de fabricação nestes países. Por este motivo, a usinagem, como parte da ciência da fabricação e tecnologia, é muito importante para as indústrias de manufatura moderna (DAVIM, 2006). Apenas para ter-se uma idéia da importância do setor de usinagem, tomando-se como referência os Estados Unidos, em 1989, foram investidos US$100 bilhões nesse setor, o que mostra a importância não só deste processo na economia de um país (TESSLER et al., 1993), como também na pesquisa científica envolvida.
Machado e Silva (2004) definem que a usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo essencialmente prático, envolvendo um número de variáveis bastante grande. É praticamente impossível prever o desempenho no corte dos metais. Entretanto, isto não quer dizer que estudos detalhados dos processos de usinagem não têm valor. Cada ponto fundamental que é detalhadamente estudado e propriamente interpretado contribui para o entendimento do processo, e, vale dizer, entendimento é o passo mais próximo da capacidade de prever.
Esse tipo de estudo deve ser mais difundido entre os pesquisadores brasileiros, pois o Brasil encontra-se em posição de destaque no setor de usinagem. Essa posição privilegiada começa no próprio aprendizado. A Alemanha, um dos países mais avançados na área de mecânica, tem como referência o ensino realizado no Brasil pelas escolas SENAI. Um exemplo da qualidade dos profissionais brasileiros envolvidos em usinagem está no fato de que, atualmente, estão sendo fabricadas em território nacional (pela própria rede SENAI), vários componentes para a Estação Espacial Internacional, projeto do qual o Brasil faz parte (COZZA, 2006) .
O melhor desempenho das operações de usinagem almejado pelos profissionais envolvidos na área (tanto pesquisadores quanto profissionais da própria área de usinagem) pode ser obtida através de pesquisas envolvendo materiais e suas estruturas, já que o controle destas já no processo de solidificação reduz significativamente os custos com processamentos posteriores.
22
2.2. Alumínio e suas Ligas
O alumínio é o terceiro metal mais abundante na crosta terrestre e por suas excelentes propriedades físico-químicas, entre as quais se destacam o baixo peso específico, a alta condutividade térmica e elétrica e a reciclagem, tornou-se o metal não-ferroso mais consumido no mundo. É maleável, dúctil e apto para a mecanização e para a fundição (ABAL, 2007).
O alumínio em estado puro apresenta baixas dureza e resistência mecânica, não servindo para determinadas aplicações, daí a necessidade de combiná-lo com outros metais para aumentar sua utilidade industrial. De acordo com Callister (2002), as ligas apresentam características diferentes daquelas apresentadas pelos seus metais constituintes, tais como dureza, ductilidade, condutividade, entre outras; além disso, as suas propriedades dependem fundamentalmente da composição, da microestrutura, do tratamento térmico ou mecânico. O alumínio em estado puro é pouco resistente, assim, o principal objetivo de adicionarem-se elementos de liga no alumínio é aumentar a resistência mecânica, sem alterar as demais propriedades.
No mercado comercial de ligas fundidas não-ferrosas, mais de 50% das mesmas apresenta o metal alumínio em sua composição, sendo o silício e o cobre, com destaque ao primeiro, os principais elementos constituintes das ligas de alumínio. Aproximadamente 90% dos produtos obtidos a partir dessas ligas, são originados de ligas binárias Al-Si. Tais materiais são bastante utilizados na indústria para a fabricação de componentes que são expostos a condições críticas de desgaste, tais como peças de motor, pistões, cilindros, blocos e cabeçotes. Este vasto campo de aplicação pode ser justificado devido às ligas Al-Si fornecerem melhores propriedades mecânicas e maior resistência à corrosão e à propagação de defeitos como, por exemplo, porosidades e trincas de contração, contribuírem para redução do peso específico e da expansão térmica, além de apresentarem grande efeito na fundibilidade do alumínio, promovendo fluidez (habilidade para preencher uma cavidade de molde) ao componente.
Um dos aspectos que tornam as ligas de alumínio tão atraentes como materiais de construção mecânica é fato do alumínio poder combinar-se com a maioria dos metais de engenharia, chamados de elementos de liga. Com essas associações, é possível obter características tecnológicas ajustadas de acordo com a aplicação do produto final (Figura 2.1). O grande alcance das ligas oferece à indústria uma grande variedade de combinações de resistência
23 mecânica, resistência à corrosão e ao ataque de substâncias químicas, condutibilidade elétrica, usinabilidade, ductibilidade, formabilidade, entre outros benefícios.
Figura 2.1: Usinagem de Alumínio
Fonte: Callister (2002)
A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 °C), o que limita a temperatura de trabalho de suas ligas. Este ponto de fusão é relativamente baixo comparado ao do aço, que é da ordem de 1570°C.
De acordo Mello et al. (2009) conforme o produto a ser feito, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos:
a) Ligas para trabalho e conformação (wrought alloys) – ligas destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames) perfis extrudados e componentes forjados; b) Ligas para fundição (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de componentes
fundidos.
Somando-se as ligas conformáveis e as ligas para fundição, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente, porém identificamos algumas combinações na (Figura 2.2).
Estes dois grupos se subdividem em:
1. Ligas não-tratáveis - Não são endurecíveis por meio de tratamento térmico;
24 Figura 2.2: Principais elementos de liga metálica de alumínio
Fonte: Mello et al. (2009)
As ligas de alumínio, segundo a Aluminum Association (AA), são divididas em nove classes. Ligas experimentais também utilizam este sistema de classificação, porém, são indicadas pelo prefixo X.
Nas ligas da série 4xxx, o silício é o principal elemento de liga. Apresentam baixos pontos de fusão e impossibilidade de tratamento térmico para endurecimento por preciptação. São utilizadas também como material de adição para solda.
2.3 Cálculo de Temperatura de Usinagem
O fato de que a temperatura de usinagem tem uma influência crítica sobre o desgaste da ferramenta e vida útil, tem sido bem reconhecido desde o trabalho de Taylor em 1907. Em particular, a taxa de formação de crateras é muito dependente da ferramenta de interface de temperatura. O crescimento de desgaste cratera na interface da ferramenta foi encontrado e estar diretamente regulada pela distribuição da temperatura ao longo da interface. Pelas razões acima o problema de determinar a temperatura de usinagem tem sido bem pesquisado ao longo dos anos. Muitas técnicas experimentais foram aplicadas para a medição da temperatura de processamento. No entanto, uma boa precisão é difícil de conseguir (TRIGGER e CHAO, 1951).
Embora a principal razão para a continuação do trabalho de medição de temperatura é o de melhorar a qualidade da peça acabada, ele também pode ajudar a prever o desgaste da ferramenta e ajuda no desenvolvimento de software de modelagem preditiva. Além disso, estudos
25 têm demonstrado que, em processos de remoção de material, fenômeno que pode degradar a qualidade da peça, seguem frequentemente um modelo de Arrhenius do tipo (exponencial) implicando que alguns comportamentos de outra forma incompatíveis pode realmente ser atribuídos às variações de temperatura (DAVIES et al., 2007).
Na usinagem em velocidades normais, os gradientes de temperatura são extremamente elevados, especialmente nas proximidades do plano de corte e a interface da ferramenta. Isto, juntamente com o fato de que a espessura da ferramenta é geralmente muito pequena, torna a tarefa de medir a distribuição da temperatura com precisão extremamente difícil. Qualquer interferência com o processo de maquinagem, tais como a abertura de furos ou ranhuras na ferramenta numa tentativa para medir temperaturas é suscetível de ser grave o suficiente para alterar a distribuição de temperatura que teria sido obtido se não houvesse nenhuma interferência (TAY, 1993).
O trabalho total realizado pela ferramenta de corte em eliminação de metal pode ser determinada a partir dos valores dos componentes da força sobre a ferramenta de corte. Aproximadamente todo este trabalho ou a energia é convertida em calor, o qual é dissipado para o material da ferramenta e da peça de trabalho, maiores forças sobre a ferramenta, é necessário mais trabalho na remoção de metal, o que por sua vez afeta a temperatura (SULLIVAN e COTTERELL, 2001).
Apesar de considerável esforço de pesquisa que foram feitas sobre o problema térmico em corte de metal, praticamente não há um consenso sobre os princípios básicos. O contato tribológico, único fenômeno que ocorre em corte de metal, está altamente localizada e não linear, e ocorre em altas temperaturas, altas pressões e altas cepas. Isso faz com que seja extremamente dificil de prever de forma precisa, ou mesmo avaliar o desepenho de vários modelos desenvolvidos para modelagem do processo de usinagem (SULLIVAN e COTTERELL, 2001).
Altas temperaturas de corte influenciam fortemente no desgaste da ferramenta, na vida da ferramenta, na integridade a superfície da peça, nas ferramentas de mecanismo de formação e contribui para a deformação térmica da ferramenta de corte, que é considerada, entre outros, como a maior fonte de erro na processo de usinagem. O aumento da temperatura do material da peça de trabalho na zona de deformação primária amolece o material, diminuindo assim as forças de corte e a energia necessária para causar mais cisalhamento. Temperatura em interface da ferramenta afeta os fenômenos de contato alterando as condições de atrito, o que por sua vez
26 afeta a forma e localização de ambas, as primárias e zonas de deformação secundária, a temperatura máxima de localização, partição de calor e a difusão do material da ferramenta (SULLIVAN e COTTERELL, 2001).
O calor é gerado nas zonas primárias e secundárias, devido à deformação plástica no material. O calor intenso também é gerado ao longo da interface da ferramenta, devido ao atrito. Se a ferramenta não é afiada, algum calor de fricção também será gerada na interface da ferramenta de trabalho. A maior parte do calor é dissipado pela ferramenta, enquanto o restante é conduzido através da ferramenta e conveção através da peça de trabalho. Se nenhum líquido de arrefecimento é usado a perda de calor para o ar ambiente é desprezável. A equação que rege a distribuição de temperatura na usinagem é a equação de energia (CHANG, 2007).
Em primeiro lugar, o calor é gerado na zona de deformação primária, devido a obra plástica feita no plano de cisalhamento. O aquecimento local nesta zona resulta em temperaturas muito elevadas, e em amolecimento, assim a maior deformação do material. Em segundo lugar, o calor é gerado na zona de deformação secundária, devido ao trabalho feito em deformação da ferramenta e para a superação do atrito de deslizamento na zona de interface da ferramenta. Finalmente, o calor gerado na zona de deformação terciário, na ferramenta interface de peça, é devido ao trabalho feito para superar fricção, o que ocorre com o contato de fricção entre a ferramenta rosto flanco e a superfície recém usinada de aquecer a peça de trabalho.
Quanto à usinagem de alta velocidade (HSM), tornou-se uma tecnologia de chave especial relevância para a indústria aeroespacial, moldes e matrizes e automotivos indústrias. No HSM, a velocidade de corte tem um efeito predominante em que há temperatura de corte e o mecanismo de transferência de calor. Conforme aumenta a velocidade de corte, o processo de corte torna-se mais adiabático e o calor gerado no cisalhamento zona de deformação não pode ser conduzido para fora durante o tempo de contato muito curto, em que o metal passa através esta zona. Portanto, parece que, na HSM, onde o processo é quase adiabático, o efeito da térmica fenômeno deve tornar-se mais importante. O objeto de calor e a distribuição de temperatura no metal corte tem recebido atenção considerável a partir de pesquisas (SULLIVAN e COTTERELL, 2001).
Uma revisão das técnicas experimentais mais comuns para a temperatura medida em processos de corte de metal, revela que estas técnicas podem ser classificadas como: condução direta, radiação indireta e metalográfico. Geralmente, estas técnicas incluem: termopares
27 ferramenta de trabalho, incorporados termopares, pirômetros de radiação, metalográfico técnicas e um método de utilização de pós de constante ponto de fusão (ABUKHSHIM et al., 2006).
A ferramenta de trabalho técnica de termopar é baseado no fato de que a ferramenta e a peça de trabalho são dois diferentes materiais. A área de contato entre elas forma uma junção quente, que produz uma força eletromotriz enquanto a ferramenta ou o material da peça mesmo formam as junções frias. No entanto, as principais preocupações manifestadas por diferentes pesquisadores sobre este método são que: apenas dá um valor médio do temperatura ao longo de toda a interface da ferramenta e alta temperaturas locais, que ocorrem por períodos curtos não podem ser observados, que dá resultados incorretos se uma vantagem construída é formado por um líquido de arrefecimento não podendo ser utilizada, tanto a peça de trabalho e ferramenta deve ser condutores elétricos, a dupla termopar exige uma calibração precisa e produz ruído significativo no sinal. Na verdade, esta técnica não é adequada para as medições de temperatura, quando a peça de trabalho do material se derrete (ABUKHSHIM et al., 2006).
Técnica termopar incorporado utiliza termopares, que estão inseridos e montados em pastilhas de corte para medir a temperatura tanto em um único ponto ou em vários pontos ao longo da face da ferramenta rake. Este método exige a perfuração de vários furos na ferramenta ou na peça de trabalho para o termopares para ser inserido. Para uma boa precisão a profundidade dos furos tem de ser o mais próximo possível da superfície onde a temperatura deve ser medida (ABUKHSHIM et al., 2006) .
As técnicas de radiação estão sem contato termográfica. São métodos para medir a temperatura da superfície do corpo com base na sua energia térmica emitida. Ele está disponível para ambos medição do campo de temperatura (termografia infravermelha) incluindo câmeras fotográficas com filmes sensíveis ao infravermelho radiação e câmeras de infravermelho, e para medição do ponto de pirômetro infravermelho. A técnica de radiação tem muitas vantagens sobre a técnica termo- elétrica, incluindo: resposta rápida, sem efeitos adversos sobre as temperaturas e matériasprimas, sem contato físico, e permitindo as medições em objetos, que são de difícil acesso. Esta técnica é provavelmente a mais adequada em aplicações onde a elevada HSM as temperaturas podem ser facilmente capturadas, como não há direto contato com a fonte de calor. No entanto, a medição da posição tem de ser seleccionada com cuidado, a precisão pode ser significativamente afetada pela obstrução. A obstrução da ferramenta também faz com que seja difícil de medir a temperatura na ferramenta de interface (ABUKHSHIM et al., 2006).
28 Não há um consenso geral sobre os resultados obtidos por diversos autores usando as várias técnicas de medição de temperatura discutido acima. A complexidade do processo de maquinagem torna extremamente difícil a comparação dos resultados de diferentes técnicas. Esta dificuldade é ilustrada pelo fato que os resultados são obtidos diferentes pelo mesmo medidor de método das experiências, que são realizadas sob as mesmas condições de corte e na mesma ferramenta e materiais (ABUKHSHIM et al., 2006).
O único método de monitoração da temperatura para alumíniuo fundido é através da medição com pirômetros sem contato. A medição do ponto de fusão do alumínio no cadinho é de extrema importância. Para medições válidas, ele precisa ser agitado, de outra forma o filme de óxido irá influenciar o resultado da medição de uma forma imprevisível.
2.3.1 Aresta Postiça de Alumínio
A aresta postiça é constituída de partículas de material usinado que se acumulam na superfície de saída da ferramenta. A aresta postiça aderente à aresta de corte se deforma e se encrua, aumentando sua resistência mecânica e fazendo às vezes de aresta de corte. A aresta postiça cresce gradualmente até romper-se bruscamente. Parte da aresta postiça que rompe é carregada com o cavaco e parte adere a peça, prejudicando sensívelmente seu acabamento superficial. Ao romper-se, a aresta postiça arranca partículas da superfície de folga da ferramenta, gerando um grande desgate de flanco, mesmo em velocidades muito baixas. Já a superfície de saída da ferramenta é protegida, pois o cavado atrita com a aresta postiça, fazendo com que o desgaste de cratera seja mínino (NOGUEIRA, 2002).
À medida que a velocidade de corte aumenta, a temperatura também aumenta. Quando a temperatura de recristalização do material do cavado ultrapassada, não há mais formação de aresta postiça, pois com a formação de novos grãos no cavaco não existe mais a possibilidade de encrumamento no cavaco, principal fator para formação da aresta postiça. A velocidade acima da qual não ocorre mais aresta postiça, chama-se velocidade crítica, sendo relacionada com diversos fatores da usinagem.
Todas as variações feitas no processo que aumentam a temperatura de corte, tais aumento do avanço e da profundidade de usinagem, diminuição dos ângulos de saída e de inclinação da ferramenta etc, tendem a diminuir a velocidade crítica. Além disso, à medida que a ductibilidade
29 da peça diminui, decresce também a ocorrência da aresta postiça, pois os cavacos quebram mais facilmente e atritam menos com superfície de saída da ferramenta. É impossível conseguir um bom acabamento superficial da peça na presença da aresta postiça (NOGUEIRA, 2002).
Com relação à acuracidade dimensional e ao acabamento superficial, a presença da aresta postiça é sempre maléfica, pois ela geralmente projeta-se na aresta cortante da ferramenta e assim afeta as tolerâncias dimensionais (especificadas que deveriam ser alcançadas). Além disso a ponta da aresta postiça é semi-estável e periodicamente se quebra prejudicando o acabamento da superfície usinada. Por outro lado, a influência da aresta sobre a ferramenta de corte pode ser maléfica ou benéfica, dependendo das coindições de corte (REIS, 2000).
O processo de formação da aresta postiça de corte é constituído por uma sequência de eventos que foram descritos por Trent (1984) da seguinte forma:
a) A primeira camada de material que se une à ferramenta através ligações atômicas é encruada, aumentando assim o seu limite de escoamento, sendo que as tensões de cisalhamento são insuficientes para quebras essas ligações;
b) As deformações continuam nas camadas adjacentes mais afastadas da interface até que elas também sejam suficientemente encruadas;
c) Pela repetição desse processo, uma sucessão de camadas formam a aresta postiça de corte (Figura 2.3).
Figura 2.3- Aresta postiça (B.U.E)
30
2.4 Estudo de Fenômeno de Solidificação
Estudos têm sido realizados nas últimas décadas com o objetivo de ser estabelecida, de forma sistematizada, a influência dos diversos parâmetros térmicos e operacionais envolvidos no processo de solidificação sobre a estrutura resultante buscando elevar as propriedades mecânicas e, por conseguinte, o desempenho dos materiais solidificados por meio do desenvolvimento de procedimentos experimentais e métodos matemáticos de caráter analítico e/ou numérico. Atualmente, sabe-se que as condições impostas durante o processo de transformação líquido/sólido, aliadas às propriedades termofísicas tanto do material como do molde, afetam diretamente as propriedades mecânicas dos produtos fundidos, entretanto, novas pesquisas estão sendo desenvolvidas no sentido de entender os efeitos de agentes externos, como por exemplo a ação da gravidade, que atuam durante o processo de solidificação e que por isso interferem na formação das estruturas brutas de solidificação.
A solidificação pode ser definida como o fenômeno de transformação da fase líquida para a fase sólida, sendo acompanhada pela liberação de calor latente, que decorre da troca de energia térmica através dos métodos de transferência de calor conhecidos, ou seja, condução, convecção e radiação bem como da transferência newtoniana. Sendo assim, é essencial a análise desses modos de transferência de calor durante o processo de solidificação, uma vez que através desta é possível determinar a distribuição de temperaturas no sistema metal/molde e a cinética de solidificação (GARCIA, 2007). A Figura 2.4 apresenta um esquema ilustrativo de um elemento de referência do sistema metal/molde durante a solidificação de um lingote, em que são mostrados todos os modos de transferência de calor que podem ocorrer ao longo da solidificação unidirecional, quais sejam: condução térmica no metal e no molde; transferência newtoniana na interface metal/molde; convecção no metal líquido e na interface molde/ambiente e radiação térmica do molde para o meio ambiente.
31 Figura 2.4- Elemento de referência representativo do sistema metal/molde
Autor: Meza (2012)
Na prática experimental, usa-se uma temperatura de vazamento (TV) do metal líquido em moldes acima da temperatura liquidus (TL) a fim de permitir a acomodação do metal à geometria do molde antes do início da solidificação. O calor sensível proveniente do superaquecimento, que é a diferença entre a temperatura de vazamento e a temperatura liquidus, (∆TV = TV – TL), e o calor latente liberado na fronteira sólido/liquido são transferidos através do metal solidificado, da interface metal/molde e do molde para o meio ambiente.
A sequência dos fenômenos ocorridos durante o processo de solidificação de um metal é mostrado na Figura 2.4.1. Após estabelecida a composição química da liga a cinética envolvida na transformação líquido/sólido é que será determinante para as características do produto solidificado (GARCIA, 2007). A temperatura de vazamento do metal líquido e o molde utilizado para extração de calor do metal, são fatores que influem diretamente nas taxas de resfriamento.
32 Por outro lado, o processo termodinâmico é responsável pela rejeição de soluto estabelecendo uma diferença de densidade induzindo assim a transferência de calor por convecção. O referido efeito de redistribuição de soluto depende diretamente da composição da liga investigada. As transferências de calor e massa determinam as condições da morfologia de crescimento e, consequentemente, o arranjo microestrutural do material. Portanto, a microestrutura resultante define as características mecânicas e químicas do produto final solidificado (GARCIA, 2007).
Figura 2.4.1- Encadeamento de fatores e eventos durante a solidificação de um metal
Fonte: Adaptado de Garcia (2007)
Fundamentalmente, as características mecânicas do material dependem das condições assumidas no processo de solidificação. O tamanho, orientação preferencial de crescimento e morfologia dos grãos, os espaçamentos interdendríticos, as heteregeneidades de composição química, o tamanho, forma e distribuição das inclusões e a presença de porosidade entre outros fatores, são decisivos na formação da macroestrutura e da microestrutura do material influenciando e, consequentemente, na determinação das propriedades dos mesmos. Para a indústria que busca a fabricação em larga escala de produtos com propriedades mecânicas superlativas, o conhecimento da influência que as variáveis térmicas exercem na formação das estruturas solidificadas permite um melhor controle dos processos de fundição uma vez que as
33 mesmas determinam a qualidade dos produtos obtidos, ratificando a relevância científica e tecnológica do fenômeno da solidificação dos materiais metálicos como um importante viés de investigação do campo industrial.
2.4.1 Variáveis térmicas e estruturas de solidificação 2.4.1.1 Variáveis térmicas
Técnicas de caracterização macroestrutural e microestrutural aliadas ao estudo dos fenômenos de transferência de calor e massa que ocorrem durante o processo de solidificação permitem avaliar a influência das variáveis térmicas na definição da morfologia apresentada pelas estruturas brutas de solidificação, determinantes da qualidade dos produtos desenvolvidos, permitindo estabelecer métodos de programação prévia da produção. Em suma, as estruturas e morfologias resultantes do processo de transformação líquido/sólido influenciam as propriedades do produto final (MOUTINHO, 2012). O conhecimento da influência das variáveis térmicas, tais como temperatura de vazamento (Tv), velocidade de evolução da isoterma liquidus (VL) e taxa resfriamento (TR) sobre a formação da estrutura resultante do processo de solidificação é fundamental para o planejamento dos processos de fundição e lingotamento, uma vez que a mesma determina a qualidade dos produtos acabados. Dessa forma, um sem número de estudos teóricos e experimentais têm sido desenvolvidos objetivando o entendimento do processo de solidificação. No que diz respeito às pesquisas experimentais, a técnica da solidificação unidirecional tem sido bastante utilizada no estudo de fenômenos relacionados à solidificação. Os referidos estudos podem ser divididos sob duas abordagens, sendo uma que trata da solidificação sob condições estacionárias de fluxo de calor e outra que investiga a solidificação em regime transitório. No primeiro caso, o gradiente de temperatura GL e a velocidade 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. 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. Por outro lado, na solidificação em condições transientes de fluxo de calor,
34 o gradiente de temperatura e a velocidade de avanço da isoterma de transformação variam livremente com o tempo e com a posição no interior do metal. Tendo em vista que este caso representa o que ocorre na grande maioria dos processos industriais que envolvem a solidificação, a análise teórica e experimental da influência das variáveis térmicas sobre os parâmetros da macroestrutura e da microestrutura para os diversos sistemas metálicos assume características de extrema relevância (ROCHA, 2003), no entanto, apesar de estudos estarem sendo desenvolvidos de maneira a possibilitar a análise da solidificação em regime transientea maioria dos resultados experimentais envolvendo aspectos macro e microestruturais resultantes do processo de solidificação utilizam condições estacionárias de troca de calor.
Na literatura são raros os modelos teóricos que correlacionam parâmetros microestruturais com as variáveis térmicas da solidificação transitória. Os poucos modelos desenvolvidos e publicados, como os de Hunt e Lu (1996) e Bouchard e Kirkaldy (1997), ainda não são amplamente validados por resultados experimentais, o que torna extremamente importante a avaliação teórico-experimental do efeito das variáveis térmicas (TV, GL, VL e TR) sobre os parâmetros macroestruturais e microestruturais resultantes do processo de solidificação unidirecional, para diversos sistemas metálicos binários, e em uma ampla faixa de concentração de soluto. Vale destacar que esses modelos foram desenvolvidos para sistemas de ligas binárias, o que não se aplica para a liga estudada neste trabalho. Cabe ainda enfatizar que são escassos os trabalhos na literatura que abordam sistematicamente a evolução microestrutural de ligas multicomponentes, o que mostra a necessidade da realização de estudos visando a determinação das citadas variáveis térmicas e suas correlações com a microestrutura.
2.4.1.2 Análise experimental da solidificação unidirecional em condições transitórias
O fenômeno da transformação líquido/sólido 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. Diversos trabalhos publicados avaliam a influência de fatores, como a convecção natural, decorrentes de condições térmicas e composicionais na formação e nos parâmetros quantificadores das estruturas de solidificação. Esses estudos têm permitido a obtenção de informações relevantes a respeito da 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, 2005; ROSA, 2006; SILVA,
35 2008, MOUTINHO, 2007; CANTÉ, 2008; MOUTINHO, 2011; NOGUEIRA, 2011; CARVALHO, 2013; SILVA et al, 2011) e mais recentemente de ligas multicomponentes (MOUTINHO, 2012; GOMES, 2012).
2.4.1.3 Solidificação unidirecional vertical
A solidificação unidirecional vertical em condições transitórias pode ser estudada considerando a direção do fluxo de calor extraído e o sentido de avanço da frente de solidificação na forma ascendente ou descendente. Na solidificação ascendente, o soluto é rejeitado à frente de solidificação e, dependendo do par soluto/solvente, pode ocorrer a formação de um líquido interdendrítico mais denso quando comparado ao 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 do dispositivo de solidificação, o que produz um perfil de temperaturas no líquido crescente em sentido ascendente, forçando o líquido mais denso a localizar-se junto à fronteira de transformação líquido/sólido, 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 2.4.2 apresenta esquematicamente os modos de transferência de calor que podem ocorrer ao longo da solidificação unidirecional ascendente com o molde metálico refrigerado a água, isto é, convecção forçada na água; transferência newtoniana na interface água/molde; condução no molde; transferência newtoniana na interface molde/metal; condução térmica no metal sólido; convecção e condução térmica no metal líquido.
36 Figura 2.4.2 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde na solidificação vertical
ascendente
Fonte: Gomes (2012) – Adaptado de Rosa (2007)
No caso da frente de solidificação avançar no sentido descendente, devido à ação gravitacional, a força do próprio 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, segundo Spinelli (2005), estará presente uma vez que o perfil de temperatura no líquido é crescente em direção à base do lingote, que é isolada termicamente. Dessa forma, se o soluto rejeitado provocar um líquido interdendrítico com densidade maior do que aquela correspondente a do líquido na concentração nominal da liga, além da convecção por diferenças de temperaturas, também ocorrerá convecção por diferenças de concentração de soluto. Este arranjo experimental promove o contraponto com a solidificação ascendente permitindo a verificação da influência de correntes convectivas sobre a estrutura de solidificação, mostrando as diferenças entre ambas as configurações quando solidificam-se ligas de mesma composição. A Figura 2.4.3 mostra o dispositivo de solidificação vertical descendente.
37 Figura 2.4.3 - 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
Fonte: Rosa (2007) – Adaptado de Spinelli (2005)
2.4.1.4 Solidificação unidirecional horizontal
No sistema de solidificação unidirecional horizontal o processo de transformação do líquido em sólido pode ser conduzido de duas maneiras distintas. A primeira forma consiste no vazamento do metal líquido dentro de molde isolado termicamente, havendo contato apenas em uma das paredes da lingoteira com um bloco maciço metálico ou com uma câmara de refrigeração, o que induz a extração de calor somente por esta superfície. Nesse caso, a turbulência do vazamento induz correntes de convecção forçada que levam algum tempo para se dissipar e agem com intensidades diferentes ao longo da seção do lingote. O outro método de solidificação horizontal corresponde a um sistema semelhante ao primeiro, capaz de fundir o metal em seu interior até que determinada temperatura seja alcançada, isto é, o dispositivo deve ser dotado de resistências térmicas capazes de promover a fusão total da liga, aquecendo-a até uma temperatura de superaquecimento previamente estabelecida, se iniciando a partir daí a solidificação. Nessa situação, garante-se com a fusão do metal dentro do molde, uma maior estabilidade em relação ao movimento convectivo do metal líquido.
38 Convém ressaltar, no entanto, que as mesmas variáveis térmicas de solidificação não podem ser asseguradas ao longo de diferentes secções horizontais da base refrigerada à 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; SILVA, 2008; MOUTINHO 2007; GOULART, 2010). A Figura 3.4.4 mostra diferentes tipos de dispositivos de solidificação unidirecional horizontal utilizados em trabalhos publicados na literatura.
Figura 2.4.4 - Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal (a) refrigerado por bloco de aço (b) refrigerado a água
(a)
(b)
Fonte: (a) Quaresma (2000); (b) Silva (2007)
A Figura 2.4.5 apresenta, esquematicamente, os modos de transferência de calor que podem ocorrer ao longo da solidificação unidirecional horizontal com o molde metálico refrigerado a água, ou seja, convecção forçada na água, transferência newtoniana na interface água/molde, condução no molde, transferência newtoniana na interface molde/metal, condução térmica no metal sólido, convecção e condução térmica no metal líquido.
39 Figura 2.4.5 - Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde durante a solidificação
horizontal
Fonte: Dias Filho (2012)
2.4.1.5 Microestruturas de solidificação
As microestruturas resultantes do processo de solidificação estão relacionadas à morfologia da interface sólido/líquido. Em condições ideais essa interface deveria permanecer plana (metais puros), porém, alterações nos parâmetros constitucionais e térmicos do sistema metal/molde que ocorrem durante a solidificação provocam a instabilidade da mesma, dando origem a microestruturas celulares e dendríticas. A instabilidade da frente de solidificação resulta da termodinâmica do processo que impõe rejeição de soluto à frente da interface sólido/líquido. Dessa maneira, o soluto rejeitado provoca uma distribuição não uniforme da concentração do metal líquido segregado nessa interface. O acúmulo de soluto ocorrido à frente da fronteira sólido/líquido origina um fenômeno que favorece a nucleação, conhecido na literatura como super-resfriamento constitucional (SRC). Ao perfil de acúmulo de soluto no líquido corresponderá a um perfil inverso da temperatura liquidus (TL). Consequentemente, TL diminui à medida que a concentração de soluto rejeitado aumenta, conforme esquema mostrado na Figura 2.4.6, a qual apresenta uma região compreendida entre a temperatura liquidus e a temperatura real em que o líquido à frente da referida interface encontra-se a temperaturas reais abaixo do perfil de TL estando, portanto, super-resfriado pelo efeito constitucional.
