JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO – MATERIAIS E PROCESSOS

JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO

CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM

TEORES DE COBRE

Belém – Pará – Brasil Dezembro 2007

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JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO

CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM

TEORES DE COBRE

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, área de Materiais e Processos, da Universidade Federal do Pará como requisito para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma.

Belém – Pará – Brasil Dezembro 2007

___________________________________________________________________

L799c Lobo, João Bosco de Andrade

Correlação entre as propriedades mecânicas e elétricas da liga AL-0,4%SI-0,6%Mg não refinada, modificada com teores de cobre / João Bosco de Andrade Lobo; orientador, José Maria do Vale Quaresma.-2007.

Dissertação (mestrado) –Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Belém, 2007.

1. Solidificação. 2. Ligas de alumínio – propriedades mecânicas. 3. Ligas de alumínio – propriedades elétricas. I. Título.

CDD – 22. ed. 669.94

JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO

CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM

TEORES DE COBRE

Dissertação submetida para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará.

Belém-Pará, 17 de Dezembro de 2007. BANCA EXAMINADORA:

_______________________________________________________ Orientador Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma Universidade Federal do Pará

_______________________________________________________ Prof. Dr. Carlos Alexandre dos Santos

NUCLEMAT – PGETEMA - PUCRS

_______________________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Magalhães Braga

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho primeiramente a Deus, a minha esposa e grande companheira Oscarina da Silva Passos, pelo seu apoio e paciência, aos meus pais Milton Lobo e Maria José de Andrade Lobo, a minha cunhada Odila da Silva Passos Ventura e aos meus irmãos e irmãs. Com muito amor e carinho.

AGRADECIMENTOS

A Deus, por ter me concedido o dom da vida, saúde, discernimento e força em todos os momentos.

A minha esposa e aos meus pais pelo apoio e compreensão e, sobretudo, pelo amor a mim dedicado durante o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma pela orientação, durante a realização deste trabalho.

Ao Prof. Dr. Petrônio Medeiros Lima pelo apoio e principalmente pela sua amizade.

Ao Museu Emílio Goeldi, em especial ao Prof. Dr. Hilton Túlio Costi. Aos amigos integrantes da Comunidade Católica Shalom de Belém.

Ao Coordenador Prof. Ph. D. Manoel Fernandes Martins Nogueira e Vice- Coordenador Prof. Dr. Daniel Onofre de Almeida Cruz do Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará.

A Universidade Federal do Pará.

Ao Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará.

Ao Grupo de Pesquisa em Engenharia de Materiais (GPEMAT) da UFPA, em especial ao Johnyson P. Feitosa, Washington L. R. Santos, Manoelson Pereira das Mercês, Aline Emanuelle Moreira Albuquerque.

A Empresa Municipal de Transportes Urbanos (EMTU) de Macapá, pela oportunidade de realização deste trabalho.

“Todos vós, em vosso mútuo tratamento, revesti-vos de humildade; porque Deus resiste aos soberbos, mas dá a sua graça aos humildes”.

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo avaliar a estrutura e as propriedades mecânicas e elétricas da liga AA 6101, quando modificado o seu teor de cobre em pequenas quantidade, através das correlações obtidas na sua conformação mecânica (laminação e trefilação), ensaios de tração e condutividade elétrica. Para a determinação destas características foram produzidas duas ligas de diferentes teores de cobre, vazados em um molde unidirecional e outro em perfil “U”. Na solidificação unidirecional foram obtidas as variáveis térmicas experimentais, como velocidade e taxa de resfriamento. Os corpos de prova retirados dos lingotes passaram pelos processos de usinagem, laminação e trefilação, analisados em diferentes posições e diâmetros, através do ensaio de tração e condutividade elétrica. Também se analisa a fratura em função da microestrutura e diferentes concentrações de teores de cobre. Observou-se que para menores teores de cobre na liga houve uma melhora no limite de resistência mecânica (LRT), isso, tanto em relação aos corpos de prova do molde unidirecional e do molde em “U”. No que diz respeito à condutividade elétrica, o material de menor teor de cobre, também se apresenta com melhores resultados, isso para os dois casos (molde unidirecional e do molde em “U”). Ao examinar as fraturas observou-se um decrescimento das micro cavidades a medida que aumenta o teor de cobre nas ligas.

ABSTRACT

The main of this research is evaluate the structure and mechanical and electrical properties of AA6101 alloy, when is modified with cooper contents, by the relations obtained by forming (rolling and drawing), tension test and power conductivity. To determine those characteristics were done two alloys with different cooper contents, it poured out in directional mold and “U” shape mold. By the directional solidification were obtained experimental thermal variables, as solidification speed and cooling rate. The specimens was submitted by machining, rolling and drawing process, analyzed in different cut positions and diameters, by the tensile test and by power conductivity calculated. The alloys were analyzed also by fracture microstructure and different copper contents. It was observed that alloys with smaller copper contents the tensile strength increased, such the directional solidification specimens than “U” mold specimens. In relation to power conductivity, the alloy with smaller copper content show satisfactory results, for tow cases (directional mold and “U” mold). By analyzing the microstructures it observed a decreasing of dimples when additions of copper contents increasing on alloys.

Capítulo 1 1. INTRODUÇÃO 1 1.1. Considerações Iniciais 1 1.2. Objetivo 1 Capítulo 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3 2.1. Ligas de Alumínio 3 2.2. Fundição 6 2.3. Solidificação 6

2.4. Tipos de Dispositivos para Solidificação 8 2.4.1. Solidificação Unidirecional Horizontal 8 2.4.2. Dispositivos para Solidificação em “U” 9

2.5. Parâmetros Térmicos na Solidificação 10

2.6. Solidificação Direcional 11

2.7. Microestruturas de Solidificação 11

2.8. Estrutura de Solidificação e Propriedade Mecânica 14

2.9. Materiais Laminados 15

2.10. Materiais Trefilados 15

2.11. Encruamento 16

Capítulo 3

3. MATERIAIS E MÉTODOS 17

3.2. Equipamentos para Obtenção de Dados do Dispositivo de

Solidificação Unidirecional Horizontal 18

3.3. Dimensionamento do Molde do Dispositivo de Solidificação em “U” 18

3.4. Caracterização de Ligas 19

3.5. Elaboração das Ligas de Alumínio para Fundição 21

3.6. Utensílios Operacionais 26

3.7. Procedimentos para Obtenção dos Tempos de Passagem das

Isotermas por Posições Específicas para o Sistema Unidirecional. 27

3.8. Determinação da Taxa de Resfriamento 28

3.9. Preparação dos Corpos de Prova (CP) 29

3.9.1. Molde Unidirecional Horizontal 29

3.9.2. Molde “U” 31

3.10. Caracterização Mecânica dos Materiais 32 3.11. Caracterização Elétrica dos Materiais 33 3.12. Procedimento de Limpeza das Amostras para Análise no MEV 34 3.13. Método Utilizado para Leitura das Micro Cavidades 34 3.14. Fluxograma do Processo das Atividades Experimentais 36

Capítulo 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 37

4.1. Obtenção da Composição Química do Material 37 4.2. Caracterização Térmica para o Dispositivo Unidirecional 37

4.2.3. Taxa de Resfriamento 42 4.3. Caracterização Mecânica do Material Fundido para o Dispositivo

Unidirecional 43 4..3.1. Relação entre o LRT, e as Dimensões “Dimples” do fundido 43 4.4. Caracterização Mecânica das Amostras Solidificadas

Unidirecionalmente e Laminadas 45

4.4.1. Relação entre o LRT e a Dimensão das Micro Cavidades das

Amostras 46 4.5. Caracterização Elétrica das Amostras Laminadas Obtidas no Molde

Unidirecional 47

4.5.1. Resistência Elétrica das Ligas 48

4.5.2. Resistividade Elétrica das Ligas 49

4.5.3. Condutibilidade Elétrica das Ligas 50

4.5.4. Síntese dos Resultados da Caracterização Elétrica das Ligas Al005

e Al03 laminadas 51

4.6. Caracterização Mecânica e Elétrica dos Materiais Laminados e

Trefilados para o Dispositivo “U” 52

4.6.1. Síntese dos Resultados da Caracterização Mecânica e Elétrica das

Ligas Al005 e Al03 Laminadas e Trefiladas 55

Capítulo 5

5. CONCLUSÕES. 56

Capítulo 2

Figura 2.1. Encadeamento de fenômenos durante a solidificação de um

metal. 7

Figura 2.2. Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal. 9 Figura 2.3. Dispositivo de solidificação em “U”. 9 Figura 2.4. Elemento de referência representativo do sistema metal/molde. 10 Figura 2.5. Modos de transferência de calor atuantes no sistema

metal/molde. 11 Figura 2.6. Representação esquemática da microestrutura do fundidos. 12 Figura 2.7. Localização de corpos de prova de tração em relação à direção

de crescimento dendrítico. 14

Capítulo 3

Figura 3.1. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde, adaptadação da

figura Quaresma: vista superior e lateral da câmara de vazamento. 17 Figura 3.2. Termopares tipo “K”, utilizados para a coleta dos dados térmicos

(a); equipamentos de aquisição de dados (b). 18

Figura 3.3. Molde em “U”: principais medidas (a); dispositivo de solidificação

bipartido (b). ₁₉

Figura 3.4. Diagrama de fases do sistema Al–Si (a); Seqüência

esquemática para confirmação da liga (b). 20

Figura 3.5. Curva experimental de resfriamento da liga analisada. 21 Figura 3.6. Serra elétrica, Laboratório de Mecânica/UFPa. 22

Cadinho (b) e Forno elétrico (c). 23 Figura 3.8. Injeção de gás inerte (argônio) (a); Regulador de vazão (b). 23 Figura 3.9. Aparato experimental para os vazamentos: em molde

unidirecional (a); em molde “U” (b). 24

Figura 3.10. Lingotes obtidos na solidificação: em unidirecional com termopares posicionados para registro de temperatura (a); em molde em

“U” (b). 25

Figura 3.11. Retirada da amostra testemunho. 25 Figura 3.12. Espectrômetro de massa(a); leitura na amostra testemunho(b).

26 Figura 3.13 Desenho esquemático representando o sistema de aquisição de

dados para construção dos perfis térmicos (CRUZ, 2004). 27 Figura 3.14. Esquemas para determinação da Isoterma Liquidus na posição

45,0 mm. 28

Figura 3.15. Esquemas representativos para determinação da na posição

45,0 mm. 28

Figura 3.16. Corpos de Prova: Definição das posições para a fabricação dos

corpos de prova. 29

Figura 3.17. Obtenção do CP: Barras de secção quadrada para cada lingote

(a); usinagem do CP, Metalúrgica Lugtak (b). 30 Figura 3.18. Laminador elétrico, laboratório de Mecânica/UFPa. 30 Figura 3.19. Corpos de prova usinados, laminados. 31

Figura 3.21. Trefilador, ALUBAR. 32

Figura 3.22. Corpo de prova trefilado. 32

Figura 3.23. Ensaio de tração Modelo Kratos com célula de carga de 500 e

3000 Kgf. 33

Figura 3.24. Fotos do conjunto componentes da ponte de Kelvin

utilizada para medir a resistência elétrica. 33 Figura 3.25. Ultra som modelo METASOM – 14. 34 Figura 3.26. Microscópio Eletrônico de Varredura MEV 34 Figura 3.27. Leitura dos “dimples” pelo método do intercepto (norma

NB-1323 da ABNT). 35

Figura 3.28. Fluxograma atividades experimentais. 36

Capítulo 4

Figura 4.1. Curva experimental de resfriamento da liga Al005 38 Figura 4.2. Curva experimental de resfriamento da liga Al03. 38 Figura 4.3. Evolução comparativa das isotermas liquidus (a); velocidades

das isotermas das ligas de alumínio (b). 39

Figura 4.4. Velocidades das isotermas liquidus durante o processo de

solidificação das ligas Al005 e Al03. 40

Figura 4.5. Influência dos elementos de liga na viscosidade do alumínio (a);

variação do cobre versos silício na fluidez do alumínio (b). ₄₁ Figura 4.6. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a

solidificação de ligas com intervalo de solidificação longo ou alta fluidez. 42 Figura 4.8. Evolução da taxa de resfriamento para as ligas Al005 e Al03. 43 Figura 4.9. Leitura da composição química do elemento cobre em peso nas

ligas fundida. 44

Figura 4.10. Relação dos “dimples” do fundido com o LRT em função das

posições. 45

Figura 4.11. Relação dos “dimples” do laminado com o LRT. 46 Figura 4.12. Leitura da composição química do elemento cobre em peso na

liga laminada. 47

Figura 4.13. Comparação entre as resistências dos CP para as ligas estudadas.

49 Figura 4.14. Comparação entre as resistividades dos CP para as ligas

estudadas. 50

Figura 4.15. Comparação entre as condutibilidades dos CP para as ligas

estudadas. 51 Figura 4.16. Relação dos “dimples” da redução com o LRT na deformação

das ligas. 53

Figura 4.17. Resistividade em função da redução dos fios estudados. 54 Figura 4.18. IACS em função do diâmetro dos fios estudados. 54

Capítulo 1

Tabela 2.1. Sistema de classificação da AA - The Aluminum Association Inc. 4

Capítulo 3

Tabela 3.1. Limites Admissíveis das Ligas 6101 (ROOY,1992) 21 Tabela 3.2 - Faixas Admissíveis das Ligas 6101 (ROOY,1992)

Capítulo 4

Tabela 4.1. Composição Química da Liga de Alumínio 6101 37 Tabela 4.2. Caracterização Elétrica da Liga Al005 Laminada 51 Tabela 4.3. Caracterização Elétrica da liga Al03 Laminada 52 Tabela 4.4. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al005 55 Tabela 4.5. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al03 55

SIMBOLOGIA

SÍMBOLO SIGNIFICADO UNID.

A área de secção transversal Mm2

d diâmetro mm P posição mm P pressão Pa Pos posição mm R resistência m/ohm R1 resistência a t 0C Ω R20 resistência a 20 0C Ω

Rv resistência elétrica por unidade de comprimento a 20 0C Ω/m

t tempo s

T temperatura C

TL temperatura da linha liquidus K

•

Τ taxa de resfriamento K/s

VL velocidade de deslocamento da isoterma liquidus mm/s

∆t intervalo de tempo s

∆T intervalo de temperatura C

λ1 espaçamentos dendríticos primários (EDP) µm

λ 2 espaçamentos dendríticos secundários (EDS) µm

δ tensão MPa

SIMBOLO SIGNIFICADO L líquido ou liquidus

S sólido ou solidus

α coeficiente de variação de resistência K Termopar

Capítulo 1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Considerações Iniciais

As ligas de alumínio são bastante utilizadas em diversas aplicações industriais, graças a sua elevada resistência e solidez. O cobre, o magnésio e o silício são alguns dos elementos que mais se prestam a formar liga com o alumínio por suas elevada solubilidades no mesmo.

Na solidificação a eficiência da extração de calor durante o processo depende, basicamente, das propriedades térmicas do metal, das características do molde, das condições da interface metal/molde e das características do meio que vai absorver o calor . No início do processo, quando o metal está líquido, o contato térmico é mais efetivo devido a sua fluidez e aos efeitos inerentes à pressão metalostática. A solidificação está presente nos diversos processos de fabricação mecânica de produtos metálicos. Na fundição, que fornece produtos na forma definitiva necessitando apenas de processos de usinagens; no lingotamento, que fornece o material que será utilizado em processos de conformação mecânica através de deformação plástica (laminação, trefilação, etc.), na soldagem; permitindo a união de peças e/ou componentes, na utilização como técnica de tratamento superficial.

1.2. Objetivo

O objetivo deste estudo é investigar a influência de diferentes teores de cobre na liga Al-0,6%Mg-0,4%Si, da série AA6101 - sem refinador de grão, para fins de transmissão e distribuição de energia elétrica, utilizando-se para isso as correlações entre as variáveis térmicas, análise de microestruturas, conformação mecânica

(laminação e trefilação), ensaios de tração e condutividade elétrica. Objetivos específicos:

1. Mapear a solidificação no dispositivo unidirecional horizontal.

2. Verificar a evolução das microestruturas na conformação mecânica do material.

3. Analisar o efeito da variação da posição e o diâmetro no molde unidirecional.

4. Analisar o efeito da redução dos diâmetros nas propriedades mecânicas e elétricas dos materiais no molde “U”.

Capítulo 2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Ligas de Alumínio

As ligas de alumínio da série 6xxx são utilizadas em uma ampla variedade de aplicações, desde o uso em perfis de arquitetura, como é o caso das ligas mais diluídas e conseqüentemente de menor resistência mecânica, como a 6063 e a 6060, até as chamadas ligas de aplicação estrutural com maiores teores de elementos de liga e maior dureza, como a 6061 e a 6351, com grande potencial de aplicação na indústria automobilística (BLECIC et al,1992). As novas ligas Al-Mg-Si-Cu podem não só substituir as tradicionais ligas Al-Mg-Si de aplicação estrutural (como a 6061), como também podem ser usadas em várias aplicações na indústria aeronáutica, ainda reservadas às ligas Al-Cu e Al-Zn-Mg. As ligas 6101 e 6201 são as mais utilizadas da série 6xxx, no fabrico de fios e cabos para transmissão (Tx) e distribuição (Dx) de energia elétrica, almejando-se entre outras propriedades, uma condutividade elétrica de aproximadamente 57% IACS (International Annealed Copper Standard) após tratamento térmico.

A conquista de um espaço cada vez maior na indústria de condutores elétricos pelas ligas Al-Mg-Si-Cu é alavancado pelas significativas vantagens no uso de fios e cabos de liga no lugar dos tradicionais cabos de alumínio com alma de aço para o transporte e distribuição de energia, entre estas vantagens tem-se: maior resistência a ambientes salinos; maior leveza; maior condutividade para mesma seção transversal; similar resistência mecânica; maior facilidade a serem reciclados e menores custos de produção comparados ao custo dos condutores de alumínio com alma de aço.

A Tabela 2.1 abaixo mostra o sistema de classificação da The Aluminum Association Inc. , para os elementos de liga do alumínio.

Tabela 2.1: Sistema de classificação da AA – The Aluminum Association Inc.

Série Elemento(s) de liga

principal(is) Outros elementos de liga 1xxx Alumínio puro - 2xxx Cu Mg , Li 3xxx Mn Mg 4xxx Si - 5xxx Mg - 6xxx Mg , Si - 7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr

8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -

9xxx Reservado para uso futuro -

As ligas da série 6XXX, são ligas ternárias tratáveis termicamente contendo como principais elementos o magnésio e o silício. Combinam importantes características como boa resistência à corrosão e trabalhabilidade e boa soldabilidade. A adição de silício e magnésio pode variar de 0,3 até 1,2% em peso, e através de um processo de tratamento térmico, estes dois elementos se precipitam na forma de partículas de silicato de magnésio (Mg2Si), aumentando a resistência do

material por intermédio do “endurecimento” por precipitação ou envelhecimento (SPIM JR, 2003).

Os elementos mais comumente encontrados nas ligas comerciais de alumínio são silício, cobre, magnésio e zinco. Todos esse elementos, com exceção do Si apresentam valores significativos de solubilidade sólida no alumínio, e em todos os casos a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. As adições de elementos de liga são importantes nas ligas de fundição devido à melhoria das características de fundição, tais como aumento da fluidez e redução da fragilidade à quente e, também, devido à melhoria da resistência mecânica e trabalhabilidade. A busca por aprimoramentos de propriedades culminou no desenvolvimento de

inúmeras ligas com as mais diversas combinações de elementos (GARCIA,2001; ROOY,1992).

Sendo que seus principais elementos da liga e seus efeitos serão a seguir considerados: a) Silício: utilizado em até 13%, é o elemento mais usado comercialmente nas ligas para fundição. Aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que ele flua através de delgadas paredes na cavidade do molde reproduzindo detalhes mais delicados. Diminui a porosidade e o coeficiente de expansão térmica e em teores altos, torna difícil a usinagem. Quando combinado com o magnésio pode melhorar muito a resistência mecânica, por tornar a liga tratável termicamente. As ligas de alumínio com silício apresentam um eutético com cristais de silício em forma de placas finas que contribuem fortemente para o decréscimo da dutilidade da liga; b) Cobre: Aumenta consideravelmente a resistência mecânica e a dureza do fundido, tanto antes como depois do tratamento térmico, é bastante solúvel no alumínio. Diminui a contração interna de solidificação e melhora a usinabilidade e a dureza do fundido, tanto antes como depois do tratamento térmico. Todavia, em comparação com a fundibilidade obtida com o silício, o cobre é inferior por proporcionar fragilidade à quente e redução da fluidez; c) Magnésio: com as mesmas características de solubilidade do cobre, o magnésio é a base para o aumento de resistência mecânica e dureza após tratamento térmico das ligas Al-Si. A presença do magnésio torna difícil a fundição devido a tendência a oxidação e conseqüente formação de escória o que também faz cair os teores de silício, cobre e outros elementos; d) Ferro: algumas vezes é adicionado para reduzir a contração. Age também como refinador de grão, com exceção nas ligas à base de silício fundidas em areia. Nas fundidas sobre pressão diminui o agarramento ao molde. O teor de ferro, nestes casos, deve estar entre 0,15 e 1,2% (GOMES, 1976).

2.2. Fundição

O objetivo fundamental da fundição é o de dar forma adequada ao metal, vertendo-o em estado líquido dentro da cavidade de um molde com a forma desejada, o próprio molde retira calor do metal líquido provocando sua solidificação e fixando sua forma inicial. Apesar da extrema simplicidade desse objetivo, a solidificação do metal no molde não se efetua de modo passivo, como pode parecer a primeira vista, a transformação líquido-sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica, já que durante a mesma ocorrem diversos eventos que, se não forem devidamente controlados, podem comprometer o desempenho do produto final ou, até mesmo, interromper a seqüência de fabricação. Tais eventos podem dar origem a diversos tipos de heterogeneidades que interferem drasticamente na qualidade metalúrgica do produto final (PRATES et al, 1978).

2.3. Solidificação

A solidificação é um processo de transformação de fase na qual uma certa quantidade de calor latente é liberada pelo material no estado líquido para possibilitar a nucleação e o crescimento da fase sólida (PRATES et al, 1974).

O fenômeno da solidificação dos metais apresenta-se em dois aspectos, a saber: a) metalúrgico, ligado à composição química do metal; b) térmico, relativo à história térmica anterior do metal, ou seja, como o calor foi transferido do interior da peça para o meio ambiente, a cada instante do processo. A interação entre estes dois aspectos determinará as características da microestrutura do metal solidificado. Observa-se através da Fig. 2.1 que os aspectos da microestrutura dependem fortemente das condições de solidificação, desde o início do processo com o metal no estado líquido. A dinâmica do processo de solidificação é que determina a microestruturas resultante, que por sua vez influenciam as propriedades finais do

fundido. Desta maneira é necessário conhecer as informações relativas aos aspectos relacionados durante todo o processo de solidificação, que vão desde a temperatura de vazamento, o tratamento do metal líquido; a forma de preenchimento do molde (através do controle de intensidade das correntes convectivas), material e formato do molde (responsável pela capacidade de absorção de calor) e se o molde deve ser pré-aquecido, refrigerado ou estiver na temperatura ambiente. Esses fatores que terão influência na taxa de resfriamento e, portanto determinarão o grau de refino da estrutura (GARCIA, 2001).

Metal Líquido Nucleação Crescimento Composição Química Velocidade de Solidificação Gradientes Térmicos Taxa de Resfriamento Rejeição de Soluto Morfologia da Interface S/L Mistura de Soluto no Sólido e Líquido Defeitos Estrutura Segregação Metal Solificado Produto Final

Figura 2.1. Encadeamento de fenômenos durante a solidificação de um metal (GARCIA, 2001).

2.4. Tipos de Dispositivos para Solidificação.

Para avaliar as ligas, foram utilizados dois tipos de dispositivo de solidificação, como pode ser visto a seguir:

2.4.1. Solidificação Unidirecional Horizontal.

Na Fig. 2.2, apresenta-se um dispositivo de solidificação horizontal, no qual o processo de solidificação pode ser conduzido de duas maneiras distintas: na primeira, a partir do vazamento de metal líquido dentro de molde isolado termicamente, sendo o calor extraído somente por uma das paredes que pode ser constituída de um bloco maciço metálico ou de uma câmara de resfriamento a água. 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 secção do lingote. Num segundo caso, o processo é conduzido por um sistema semelhante ao primeiro, porém que permita fundir o metal em seu interior até que uma temperatura seja alcançada, a partir da qual inicia-se a solidificação por refrigeração. Nessa situação garante-se, com a fusão do metal dentro do molde, uma maior estabilidade em relação ao movimento de metal líquido. Entretanto, é importante ressaltar que não se podem garantir as mesmas variáveis térmicas de solidificação ao longo de diferentes secções horizontais da base ao topo do lingote, já que instabilidades térmicas e diferenças de massa específica no líquido irão induzir correntes convectivas, que serão diferentes ao longo dessas secções.

O mapeamento térmico da evolução da solidificação deve ser feito em uma secção horizontal o mais próximo possível do local de onde serão retiradas as amostras para análise da macroestrutura e da microestrutura (Quaresma,1999; Quaresma, 2000; Osório, 2000; Osório, 2002; Osório, 2003).

Figura 2.2. Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal, (GOULART,2005).

2.4. 2 - Dispositivos para Solidificação em “U”.

Esse dispositivo é feito pelo processo de molde permanente, consistindo em duas partes que são convenientemente alinhadas e fechadas, de modo a obter cavidade na forma cilíndrica. Com as paredes constituídas em aço, tendo perfil em “U” e o canal de vazamento na forma cilíndrica. Fig. 2.3.

Figura 2.3. Dispositivo de solidificação em “U”.

O metal líquido é vazado no molde em forma convencional, e o preenchimento da cavidade se dá pela ação da gravidade. Depois que a peça solidifica, o molde é aberto e a peça é retirada manualmente.

2.5. Parâmetros Térmicos na Solidificação

A solidificação metálica pode ser considerada fundamentalmente como um processo de transferência de calor em regime transitório. A transformação líquido/sólido é acompanhada por liberação de energia térmica, com uma fronteira móvel separando as duas fases de propriedades termofísicas distintas. A análise da transferência de calor na solidificação apresenta essencialmente dois objetivos: a determinação da distribuição de temperaturas no sistema material/molde e a determinação da cinética da solidificação. Para melhor compreender essa análise a Fig. 2.4 apresenta um esquema ilustrativo de uma situação física de solidificação de um lingote mostrando um elemento de referência.

Figura 2.4. Elemento de referência representativo do sistema metal/molde(ROCHA, 2003).

O elemento de referência indicado na Fig. 2.4 está representado esquematicamente pela Fig. 2.5, que mostra em detalhe os modos de transferência de calor presentes: 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.

Interface Interface Interface Ambiente/Molde Molde/Metal Sólido/Líquido

VL

Figura 2.5. Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde (GARCIA,2001).

Nas operações de fundição ou lingotamento, a utilização de diferentes tipos de molde permite que alguns desses modos transitórios de transferência de calor possam ser desprezados no cômputo global da energia térmica transferida.

2.6. Solidificação Direcional

A solidificação direcional é uma técnica que tem como objetivo principal direcionar o fluxo de calor do metal em um molde para obtenção de uma estrutura colunar. A solidificação direcional consiste em utilizar dispositivos que apresentam um bom isolamento térmico nas laterais para evitar a extração de calor pelas paredes do molde e impedir a possibilidade de nucleação de cristais nessas paredes e à frente da interface de crescimento. Em algumas situações particulares, onde é mais interessante produzir estruturas colunares, já que em algumas importantes aplicações as tensões mais significativas se alinham unidirecionalmente ao longo de um único eixo (GARCIA, 2001).

2.7. Microestruturas de Solidificação

No que diz respeito às características estruturais, os espaçamentos interdendríticos têm maior nível de suscetibilidade às alterações nas taxas de

C = Convecção K = Condução R = Radiação N = Transferência Newtoniana R Ambiente Molde K _K K N C C Líquido Sólido

resfriamento que o tamanho de grão. Este segundo depende muito mais do histórico térmico do metal, ou seja, da presença ou não de refinadores de grão no banho líquido, do superaquecimento, dentre outros fatores. Contudo, analisando de maneira mais microscópica, nota-se que os espaçamentos interdendríticos podem ter até maior influência sobre as propriedades mecânicas que o tamanho de grão. Os espaçamentos interdendríticos formados afetam diretamente na microsegregação e na ancoragem de inclusões, modificando as propriedades mecânicas do material. Dentre as propriedades mecânicas dependentes da microestrutura do material, citam-se o limite de escoamento, limite de resistência à tração, alongamento, tenacidade, limite de resistência à fadiga, resistência à fluência, resistência à corrosão e à abrasão, além das condutividades térmicas e elétricas. Uma limitação em estabelecer correlações entre microestrutura e propriedades mecânicas está nos diferentes aspectos microestruturais, mostrados na representação esquemática da Fig. 2.6.

Segunda fase

intergranular intergranularPorosidade

Porosidade interdendrítica Segunda fase interdendrítica Braço dendrítico primário Contorno de grão Braço dendrítico terciário Braço dendrítico secundário

Figura 2.6. Representação esquemática da microestrutura do fundidos (QUARESMA, 1999)

No interior de cada grão cristalino existe uma rede de ramificações dendríticas caracterizadas por baixas concentrações de soluto nos braços dendríticos e ricas de soluto nos interstícios dendríticos, o que pode gerar certas condições que termodinamicamente induzirão à formação de uma segunda fase ou decomposição de uma fase metaestável, mesmo que a composição nominal da liga teoricamente indique uma única fase (Quaresma,1999). Vê-se, assim, a importância do grau de refino da estrutura dendrítica, tanto para estruturas brutas, quanto para estruturas a serem tratadas termicamente. No primeiro caso, a distribuição mais uniforme das segundas fase e de outros obstáculos ao escorregamento, favorece as propriedades mecânicas, enquanto no segundo caso potencializa o tratamento. Nessas condições, torna-se extremamente interessante determinar expressões que correlacionem determinadas propriedades mecânicas com os parâmetros estruturais, de maneira semelhante ao trabalho desenvolvido para ligas Al-Cu (Quaresma, 1999), só que abordando também outros sistemas metálicos de interesse industrial. Ter-se-ão assim, os espaçamentos dendríticos dependentes das condições térmicas durante o processo de solidificação, por conseqüência, existirá também uma estreita relação entre os parâmetros térmicos e propriedades mecânicas. Encontram-se na literatura, diversos trabalhos nessa direção e que podem ser agrupados, naqueles baseados em parâmetros térmicos e em relações geométricas, chamados de modelos de natureza teórica e aqueles de natureza empírica, baseados exclusivamente em resultados experimentais e de caráter mais específico. Na literatura também se encontra um vasto conjunto de trabalhos experimentais abordando a solidificação e a correspondente microestrutura formada para uma série de ligas de importância para a tecnologia de fundição (SANTOS, 1997; OSÓRIO, 1998; QUARESMA,1999).

2.8. Estrutura de Solidificação e Propriedade Mecânica

Embora os aspectos metalúrgicos e mecânicos dos fatores que controlam a microestrutura e que são determinantes na resistência mecânica e ductilidade de ligas metálicas em seu estado bruto de solidificação sejam de análise complexa, sabe-se que as variáveis de solidificação são fatores de extrema influência. As ligas apresentam, dentro dos grãos cristalinos individuais, uma rede dendrítica com teor de soluto que varia continuamente, uma complexa dispersão de segundas fases, porosidade e inclusões. Além destes obstáculos ao escorregamento durante a aplicação de esforços mecânicos, existem os contornos dos grãos como fatores adicionais. Sabe-se que, à medida que o tamanho de grão diminui, há uma tendência de aumento da resistência mecânica. Neste particular, pode-se citar a conhecida equação de Hall-Petch, na qual a tensão de escoamento é proporcional ao inverso da raiz quadrada do diâmetro do grão. A literatura aponta também o efeito do espaçamento dendrítico como fator de influência, indicando que o grau de refino dos espaçamentos dendríticos possa ser até mais influente sobre as propriedades mecânicas do que o próprio tamanho de grão (GARCIA, 2005).

A Fig. 2.7, mostra uma representação qualitativa da busca desta correlação.

Figura 2.7. Localização de corpos de prova de tração em relação à direção de crescimento dendrítico (GARCIA, 2001)

2.9. Materiais Laminados

Neste processo de conformação mecânica, o metal é forçado a passar entre dois cilindros, girando no sentido oposto, com a mesma velocidade superficial, distanciados entre si a uma distância menor que o valor da espessura da peça a ser deformada. Ao passar entre os cilindros, o metal sofre deformação plástica; a secção é reduzida.

O processo da laminação pode ser feito a frio ou a quente. Normalmente a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio para as operações de acabamento. Um dos principais objetivos da laminação é obter um produto final de boa qualidade, envolvendo principalmente as propriedades mecânicas, condições superficiais e das macro e microestruturas do produto laminado (BRESCIANI et al., 1985).

2.10. Materiais Trefilados

No processo de trefilação o fio metálico é tracionado, passando através de uma ferramenta oca denominada fieira, onde sofre deformação plástica. Em conseqüência dessa deformação, o diâmetro do fio é reduzido e seu comprimento é aumentado. A finalidade do processo da trefilação é a obtenção de fios de dimensões, acabamento superficial e propriedades mecânicas controladas.

Na produção de pequenos diâmetros (fios, arames etc.), pode-se empregar o tipo de máquina rotativa, eventualmente vários conjuntos deste tipo podem operar em série para obter diâmetro menores. Quase todos os metais não-ferrosos são trefilados a frio, sofrendo portanto variações nas suas propriedades mecânicas, devido ao encruamento do fio, sendo aumentado seu limites de escoamento e resistência a tração e diminuindo o seu alongamento. Nas condições onde se deseja uma grande variação de secção, é necessário fazer o recozimento do metal numa

determinada etapa do processo, quando o metal atingir um grau de encruamento demasiadamente elevado. Assim, o fio volta a ter a dutilidade necessária para o prosseguimento das reduções (BRESCIANI et al., 1985).

2.11. Encruamento

Um cristal metálico sofre um processo de encruamento quando deformado plasticamente. O fenômeno de encruamento pode ser representado numa curva tensão de cisalhamento versus deformação tangencial (decompostos no plano e na direção de deslizamento), onde se observa a elevação da tensão com o aumento da deformação (JORGE, 1997).

O encruamento é tanto maior quanto maior for à dificuldade das discordâncias móveis caminharem e vencerem os campos de tensão gerados na rede cristalina pelos outros defeitos anteriormente armazenados. Quando os materiais são plasticamente deformados, discordâncias são geradas, com a continuidade da deformação, as discordâncias movem-se em seus sistemas de escorregamento. As interações entre estes sistemas e contornos de grão ou qualquer obstáculo substancial, bloqueiam o escorregamento e criam empilhamentos. Este bloqueio e a geração de discordâncias continuam até o estágio onde algumas discordâncias bloqueadas são capazes de evitar os obstáculos através de deslizamento cruzado nos planos de deslizamento cruzado (JONAS, et al., 1978).

Algumas propriedades dos metais são alteradas pelo encruamento, através de processos de conformação plástica realizados com trabalho a frio, a uma temperatura – comumente a ambiente – que não pode ultrapassar a temperatura de recristalização, ou seja, a uma temperatura que deve ser bem inferior à temperatura de fusão do metal.

Capítulo 3

3 - MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Dimensionamento da Câmera de Vazamento do Dispositivo de Solidificação Unidirecional Horizontal

Suas dimensões foram baseadas no trabalho de Quaresma (1999). Para sua montagem, utilizou-se um molde de geometria regular com dimensões 60 x 60 x 110 mm, Fig.3.1, onde uma das paredes é constituída por um molde de aço SAE 1010 (para o acabamento das paredes do molde utiliza-se lixas), material condutor que funciona como fonte de absorção da carga térmica liberada pelo metal líquido possui um furo posicionado a 3 mm à esquerda da interface metal/molde e uma profundidade de 30 mm a partir do topo da parede superior do molde o mesmo serve para posicionar o termopar do molde.

Figura 3.1. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde, adaptadação da figura Quaresma (QUARESMA, 1999): vista superior e lateral da câmara de vazamento.

Os restantes dos termopares são posicionado no intervalo de 7,5 mm até 45 mm, estes posicionados a partir da interface metal/molde. As outras paredes são

compostas de um material isolante de aproximadamente 20 mm espessura, cerâmico à base de sílica, a tampa superior possui um orifício cônico na posição oposta à parede metálica.

3.2. Equipamentos para Obtenção de Dados do Dispositivo de Solidificação Unidirecional Horizontal

São basicamente constituídos de termopares do Tipo K (Fe CuNi) Fig. 3.2a, num total de 9(nove) termopares, sendo 1(um) para leitura de vazamento do metal líquido, 1(um) posicionado na interface meio ambiente/molde, 1(um) no molde e o restante na câmara de vazamento, conforme o esquema da Fig. 3.1. Esses foram conectados por um cabo coaxial a um registrador de temperaturas ALMEMO / AHLBORN, modelo 2290 - 8, Fig. 3.2b.

Conectores

(a) (b)

Termopar

Figura 3.2. Termopares tipo “K”, utilizados para a coleta dos dados térmicos (a);. equipamentos de aquisição de dados (b).

3.3. Dimensionamento do Molde do dispositivo de solidificação em “U”

As dimensões do sistema em “U” estão representadas na Fig. 3.3a, destacando suas principais medidas e além da união feita com parafusos Fig. 3.3b.

Também o molde apresenta um desmoldante (solução com caulim) na sua superfície. Sendo constituído de aço maciço 1020.

(a)

(b)

Figura 3.3. Molde em “U”: principais medidas (a); dispositivo de solidificação bipartido (b)

3.4. Caracterização de Ligas

Para a confirmação da concentração do teor da liga estudada, torna-se necessária a verificação das temperaturas liquidus. A metodologia adotada para aferição das ligas foi a da comparação com o diagrama de fases do sistema Al – Si (ROOY,1992), Fig. 3.4a.

A Fig. 3.4b apresenta uma ampliação de parte do diagrama de fases , para melhor caracterização das temperaturas liquidus. Para obtenção dos perfis térmicos da liga de Al 0,4%Si, após elaboração e homogeneização, elas são levadas a uma temperatura superior à temperatura liquidus.

Figura 3.4. Diagrama de fases do sistema Al–Si (ROOY,1992) (a); Seqüência esquemática para confirmação da liga (b) (Peres, 2002).

O material contido nos cadinhos é retirado do forno, em seguida coloca-se uma vedação no topo do cadinho, feita de material isolante à base de sílica, no intuito de se evitar ao máximo a fuga de calor para o ambiente, e com isso permitir uma solidificação mais lenta, para que se tenha uma condição mais próxima possível da condição de equilíbrio. Insere-se um termopar, previamente aferido, através de um orifício feito na vedação colocada no topo do cadinho, para possibilitar a monitoração e registro das transformações térmicas de cada liga. Os dados obtidos pelo equipamento de aquisição são então armazenados, possibilitando uma

(a)

posterior construção gráfica das curvas de resfriamento de cada liga. A partir das temperaturas de transformação liquidus, obtidas dos gráficos, confirma-se o teor de soluto da liga elaborada. A Fig. 3.5 apresenta a curva de resfriamento, obtidas através do registrador ALMEMO, para a liga Al-0,4%Si; 0,6%Mg; 0,05%Cu.

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 C a r a c t e r i z a ç ã o d o P e r f i l T é r m i c o L i g a A l - 0 , 4 % S i ; 0 , 6% M g ; 0 , 0 5% C u T em p er at u r a ( 0 C) T e m p o ( s )

Liquidus

656

C

Figura 3.5. Curva experimental de resfriamento da liga analisada.

3.5. Elaboração das Ligas de Alumínio para Fundição

O alumínio utilizado foi o alumínio EC (~97,78%), produzido pela ALUBAR METAIS. Foram utilizadas ligas da série 6xxx, mais precisamente ligas do sistema da liga Al-Si-Cu-Mg-Fe. As composições nominais das ligas 6101 estão dispostas em uma faixa admissível, e são apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Limites Admissíveis das Ligas 6101 [ROOY,1992]

Liga Si % Mg % Fe % B % Cu % Mn % Cr % Zn % 6101 0,30 a 0,70 0,35 a 0,8 <0,5 <0,06 <0,1 <0,03 <0,03 <0,1

Se fez necessário uma correção em peso na composição das ligas estudadas, nos elementos químicos Si, Cu, Fe e Mg. Usou-se o fator de correção 1,06 para o elemento magnésio pelo fato desse componente ser muito volátil, e com

o intuito de avaliar o cobre na liga, se faz necessária duas variações no teor do elemento, ou seja, de 0,05% e 0,3%Cu.

Sendo que para obtenção do metal foram adotados alguns procedimentos a seguir: As barras foram cortadas em uma serra elétrica, Fig. 3.6 e pesadas em

Figura 3.6. Serra elétrica, Laboratório de Mecânica/UFPa

uma balança digital de precisão, Fig. 3.7a, até a obtenção das massas desejadas. Após a pesagem, as quantidades de material foram introduzidas em um cadinho de carbeto de silício de 3,5 l de volume, Fig. 3.7b, o qual foi pintado com caulim dissolvida em água para evitar a aderência de uma quantidade considerável de metal, e foi submetido a um pré-aquecimento de vinte minutos à 150°C para eliminar a umidade. A fusão dos metais foi feita em um forno tipo MUFLA, Fig. 3.7c, cuja temperatura de trabalho ajustada foi de 810°C, temperatura esta que garante a fusão completa dos metais. Então retirados e agitados no mínimo três vezes com a haste de aço inoxidável, revestidas com cimento refratário, para sua efetiva homogeneização.

Para que haja um perfeito vazamento, fixou-se um superaquecimento de 10% para todas as liga em todos os vazamentos realizados. A escolha desse percentual excedendo às temperaturas liquidus das ligas deve-se ao fato de que, ao se adotar

maiores superaquecimentos, haverá uma impedância térmica que se traduz num maior tempo para a solidificação, além do retardamento da contração volumétrica do metal.

(a)

(c) (b)

Figura 3.7. Acessórios e Equipamento para Fusão das Ligas: Balança (a), Cadinho (b) e Forno elétrico (c).

Após a constatação de que os elementos adicionados na liga estavam totalmente dissolvidos no cadinho, foi retirado do forno e executou-se novamente a homogeneização do metal fundido através de agitação com espátula de aço, e posterior à homogeneização, fez-se a injeção de gás inerte argônio Fig. 3.8a, com um regulador de vazão (0,2 l/s) durante 40 segundos, Fig. 3.8b.

(b)

(a)

Em seguida foi retirada com a espátula, a escória formada na superfície livre do banho. Após isto, introduziu-se um termopar, com o intuito de verificar a temperatura do metal, até que se atingisse o valor de aproximadamente 710°C, a qual foi a temperatura de vazamento. Os vazamentos foram realizados em um aparato experimental, Fig. 3.9.

(a) (b)

Figura 3.9. Aparato experimental para os vazamentos: em molde unidirecional (a); em molde “U” (b).

O aparato da Fig. 3.9a serve para produzir um sistema de fluxo de calor unidirecional, fato este que facilita o estudo da evolução estrutural, e a relação desta com as propriedades mecânicas e elétricas, no interior do metal, tomando como referência a interface metal/molde. Sua capacidade volumétrica é de aproximadamente 0,4 l e a massa de metal que se utilizou foi de 1200g.

Neste dispositivo, executou-se quatro (4) vazamentos, sendo que de quatro, dois deles foram feitos na presença de termopares posicionados para registro de temperatura Fig. 3.10a. Nesses se obtiveram corpos de prova pelo processo de usinagem e laminação.

(a) (b)

Figura 3.10. Lingotes obtidos na solidificação: em unidirecional com termopares posicionados para registro de temperatura (a); em molde em “U” (b).

O lingote obtido no molde em “U” Fig. 3.9b, serve também para o estudo do comportamento estrutural, e a relação desta com as propriedades mecânicas e elétricas. Nesse lingote, Fig. 3.10b além de retirados os corpos de prova pelo processo de usinagem e laminação, também será acrescido a trefilação na preparação dos corpos de prova.

A massa de metal que se utilizou foi aproximadamente de 600g e executaram-se quatro (4) vazamentos para esse dispositivo. Para confirmação da composição química das ligas foram retiradas amostras testemunho, Fig. 3.11.

Após a retirada da amostra se faz a análise química através do espectrômetro de massa Fig. 3.12a, onde os resultados são obtidos da média de três leituras da composição química da amostra, Fig. 3.12b, apresentando valores em peso para liga. O equipamento pertence à ALUBAR METAIS.

(b)

(a)

Figura 3.12. Espectrômetro de massa(a); leitura na amostra testemunho (b).

3.6. Utensílios Operacionais 3.6.1. Haste de aço inoxidável

Revestida também com cimento refratário, para homogeneização do banho por agitação, procurando evitar que partículas do material da haste afetem a composição da liga, além de preservá-la.

3.6.2. Espátula de aço inoxidável

Revestida com suspensão à base de alumina para retirada da camada de óxido formada na superfície livre do banho, quando na iminência ao vazamento do metal na cavidade.

3.6.3. Garra metálica

Utilizada para transporte dos cadinhos para dentro e fora do forno, durante as operações de vazamento do banho de metal líquido no molde.

3.7. Procedimentos para Obtenção dos Tempos de Passagem das Isotermas por Posições Específicas para o Sistema Unidirecional

Tendo o histórico térmico das ligas capturado pelo registrador e repassado posteriormente para um computador. A Fig. 3.13 mostra o desenho esquemático representando o sistema de aquisição de dados para construção dos perfis térmicos.

.

Figura 3.13 – Desenho esquemático representando o sistema de aquisição de dados

para construção dos perfis térmicos (CRUZ, 2004).

Após a obtenção das curvas de resfriamento da liga foi elaborado o perfil da isoterma liquidus a partir dos registros de cada posição em relação à distância interface metal/molde (7,5; 15,0; 22,5; 30; 37,5 e 45 mm).

A Fig. 3.14 mostra o tempo experimental obtido a partir da interseção da temperatura liquidus (TL) com a curva de resfriamento na posição 45mm. Para cada

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 P o s ( 4 5 , 0 m m ) − − − T _L = 6 5 1 0 C Te m pe r a t ur a ( 0 C) T e m p o [ t ( s ) ]

Liga Al- 0,4% Si; 0,3%Cu

Figura 3.14. Esquemas para determinação da Isoterma Liquidus na posição 45,0 mm.

3.8. Determinação da Taxa de Resfriamento (Τ ) •

A metodologia utilizada para determinação da taxa de resfriamento foi desenvolvida por Okamoto (OKAMOTO et al,1975), considerando-se os dados de cada posição dos termopares, obtidos experimentalmente a partir da intersecção da reta de cada temperatura liquidus (TL) com as curvas de resfriamento para cada posição dos termopares, considerando-se os dados imediatamente antes e depois da passagem da isoterma liquidus por cada termopar.

A Fig. 3.15 apresenta o esquema representativo para determinação da Τ na • posição 45,0 mm para a liga de Al 04%; 0,3%Cu; 0,6%Mg.

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 P o s ( 4 5 , 0 m m ) − − − T _L= 6 5 1 0C Te m pe r a t ur a ( 0 C) T e m p o [ t ( s ) ] T1

Figura 3.15. Esquemas representativos para determinação da Τ• _{na posição 45,0 mm.}

t1 t2

T2

TL

A equação que determina a taxa de resfriamento é dada pelo módulo da razão entre as diferenças de temperatura e tempo, equação (a).

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = Δ ΔΤ = Τ

Τ

Τ

Substituindo os resultados da Fig. 3.15 na equação (a) temos a taxa de resfriamento para posição 45 mm.

3.9. Preparação dos Corpos de Prova (CP) 3.9.1. Molde Unidirecional Horizontal

As dimensões e posição de onde foram retirados os corpos de prova do fundido, estão representados na Fig. 3.16 e tendo a preocupação de relacionar as posições específicas com os termopares. Após os vazamentos ficou definido que as linhas 2 e 3, por estarem no centro do lingote e sujeito a menor efeito de agentes externo, como também, mais próximo a leitura do termopar e, que representariam melhor os fenômenos desenvolvidos no processo.

Figura 3.16. Corpos de Prova: Definição das posições para a fabricação dos corpos de prova.

Através da serra elétrica Fig. 3.6, obtiveram-se barras de secção quadrada para cada lingote Fig. 3.17a, as quais foram identificadas, posteriormente usinadas, Fig. 3.17b, com intuito de se atingir a configuração do corpo de prova, ou seja, as amostras foram usinadas até o diâmetro de 9,8 mm.

Figura 3.17. Obtenção do CP: Barras de secção quadrada para cada lingote (a); usinagem do CP, Metalúrgica Lugtak (b).

Após os corpos de prova usinados, é retirado à metade dos corpos de prova que estão contidos nas suas respectivas posições e linhas para em seguida passar pelo processo de laminação Fig. 3.18, até o diâmetro de 3,98 mm.

(a) (b)

Figura 3.18. Laminador elétrico, laboratório de Mecânica/UFPa.

A Fig. 3.19 mostra os corpos de prova usinados e laminados para o ensaio de tração, obedecendo a norma específica de cada material. Antes dos corpos de prova

laminado serem submetidos ao ensaio de tração, são retiradas às medidas elétricas. E posteriormente os corpos de prova foram levados para análise no MEV.

Figura 3.19. Corpos de prova usinados, laminados.

3.9.2. Molde “U”

Os processos mecânicos que são submetidos o material fundido para obtenção dos corpos de prova na forma de fio, e posteriores à caracterização mecânica, elétrica e estrutural, constituí-se numa forma de avaliação microscópica. Inicialmente realiza-se corte do lingote, destacando-se a região central do perfil “U” Fig. 20a, separando-se suas “pernas” com comprimento médio de 250 mm para as maiores e em torno de 90 mm as menores, e serem em seguida usinadas e passando a ter secções circulares de aproximadamente 10 mm Fig.20b.

(a)

(b)

A deformação plástica foi realizada com auxilio de um laminador Fig.18, permitindo-se a obtenção de fios no diâmetro de 3,98 mm, seguido de trefilação Fig. 21, com reduções de Ø=3,88 mm, 3,78 mm, 3,45 mm, 3,02 mm e 2,90 mm.

Figura 3.21. Trefilador, ALUBAR.

A Fig. 3.22 mostra os corpos de prova trefilados com seus respectivos diâmetros.

Figura 3.22. Corpos de prova trefilados.

3.10. Caracterização Mecânica dos Materiais

Para a caracterização mecânica dos materiais utilizou-se a máquina Kratos Fig.3.23 para o ensaio de tração, sendo que para cada tipo de corpo de prova se

obedece a uma determinada norma técnica: i) para o fundido, às dimensões obedece a norma ASTM E8M – 95, ii) laminados e trefilados, ou seja, para Fios e Cabos Elétricos obedecendo à norma NBR 6810.

Figura 3.23. Ensaio de tração Modelo Kratos com célula de carga de 500 e 3000 Kgf.

3.11. Caracterização Elétrica dos Materiais

Para aferição das propriedades elétricas adotou-se como referência a NBR-6814, onde se descreve o método de medição de resistividade elétrica do condutor em corrente contínua, para fios e cabos elétricos. Para realização do ensaio utilizou-se uma ponte de kelvin MEGABRÁS modelo MPK-2000, ilustrada na Fig. 3.24, esutilizou-se equipamento encontra-se nas dependências do laboratório do grupo ALUBAR.

a b

Figura 3.24. Fotos do conjunto componentes da ponte de Kelvin utilizada para medir a resistência elétrica.

3.12. Procedimento de Limpeza das Amostras para análise no MEV.

A Fig. 3.25 ilustra um limpador ultra sônico com circuito eletrônico de estado sólido, tanque em aço modelo METASOM – 14.

Figura 3.25. Ultra som modelo METASOM – 14.

Usado para limpeza das amostras por meio de aplicação de ondas ultra-sônicas agindo sobre uma solução de limpeza [Álcool etílico absoluto, P.A. 99 INPM e Acetona P.A. (CH3)2CO], criando bolhas que ao emplodirem na superfície das

amostras, expulsam a sujeira.

3.13. Método Utilizado para Leitura das Micro Cavidades

Após a execução dos ensaios trativos, fez-se a caracterização da fratura nos corpos de prova. Estas análises foram realizadas em um microscópio eletrônico de varredura (MEV), Fig. 3.26, de propriedade do museu Emílio Goeldi.

Através do MEV se busca analisar a topografia da superfície de fratura, seguido de microanálise pelo método EDS (Energy Dispersive Spectroscopy).

Os ensaios de tração do fundido, laminado e trefilados conforme o item 3.10, onde foram retiradas amostras do CP fraturado, preparadas conforme item 3.12, em seguida as amostra foram levadas ao microscópio MEV com aumento de 3000 vezes para posterior contagem das cavidades. A leitura foi feita, por intermédio do software Motic, onde a Fig. 3.27 mostra a leitura das cavidades pelo método do intercepto (norma ASTM E112-96), este processo foi escolhido por apresentar melhor adaptação ao estudo.

Figura 3.27. Leitura dos “dimples” pelo método do intercepto (norma NB-1323 da ABNT).

3.14. Fluxograma do Processo das Atividades Experimentais

Figura 3.28. Fluxograma atividades experimentais. Solidificação Unidirecional

Análise do Material

Mecânica Microestrutura _Elétrica Lingoteira

Vazamento Definir a liga

Pesagem Fusão do material

Análise química Análise Térmica Forno elétrico tipo mufla Balança eletrônica Leitura da temperatura Preparação da liga / Fusão

Vazamento

Solidificação em “U”

Capítulo 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Obtenção da Composição Química do Material

A Tabela 4.1 mostra os resultados obtidos na composição química da liga de alumínio para a execução dos experimentos.

Tabela 4.1. Composição química da liga de alumínio 6101

Ligas de Al Código (Porcentagem em Massa) Al Si Fe Cu Mg Mn Zn outros 0,4%Si; 0,05%Cu; 0,6%Mg Al005 98,60 0,3655 0,2821 0,0466 0,6893 0,0018 0,0009 0,0138 0,4%Si; 0,3%Cu 0,6%Mg Al03 98,48 0,3602 0,1578 0,2544 0,5762 0,0060 0,0203 0,1451

4.2. Caracterização Térmica para o Dispositivo Unidirecional 4.2.1. Curvas de Resfriamento das Ligas

Após os registros foram analisadas as temperaturas de ocorrência liquidus para as curvas ficando numa faixa de 650/651ºC para as ligas.

A Fig. 4.1 representa as curvas de resfriamento da liga Al005, obtidas experimentalmente conforme os procedimentos de vazamento do item 3.5. As leituras das curvas correspondem ao monitoramento das variações da temperatura em função do tempo, medido por termopares no decorrer da solidificação unidirecional horizontal.

No conjunto, os resfriamentos ao longo das curvas do molde apresentam um comportamento similar a cada curva correspondente. Tendo como um diferenciador entre elas um patamar, indicado pelo círculo, onde o mesmo se deve em função das curvas geradas pelos termopares posicionados relação à interface metal/molde(M/M)

em diferentes distâncias (7,5mm; 15,0mm; 22,5mm; 30,0mm; 37,5mm; 45mm), Já ilustradas na Fig. 3.1. 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Liga Al: 0,4% Si - 0,6% Mg - 0,05% Cu Perfis Térmicos Ambiente Molde P(7,5mm) P(15,0mm) P(22,5mm) P(30,0mm) P(37,5mm) P(45,0mm) Tem p er atur a ( 0 C) Tempo [ t ( s ) ]

Figura 4.1. Curva experimental de resfriamento da liga Al005.

Os resultados das curvas de resfriamento da Al03, também se apresentam com um comportamento similares às curvas mostradas na Fig. 4.1, apresentando um patamar e seguindo os mesmos posicionamento dos termopares em relação à interface metal/molde(M/M). 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Liga Al: 0,4% Si - 0,6% Mg - 0,3% Cu Perfis Térmicos Ambiente Molde P(7,5mm) P(15,0mm) P(22,5mm) P(30,0mm) P(37,5mm) P(45,0mm) T em p er at u ra ( 0 C) Tempo [ t ( s ) ]

4.2.2. Velocidade de Resfriamento (VL)

A Fig. 4.3a mostra a evolução comparativa das isotermas liquidus, sendo que o método para encontrá-la foi explicado item 3.7, para as duas ligas com as respectivas posições.

Figura 4.3. Evolução comparativa das isotermas liquidus (a); velocidades das isotermas das ligas de alumínio (b).

Logo em seguida se obtém as equações pelos pontos das curvas da Fig. 4.3(a). Essas equações encontradas passam pelo processo da derivação para se obter a equação da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus em relação ao tempo, ou seja, pela derivada da função P= f(t), chega-se a VL =

dt dΡ

, Fig. 4.3b. De posse das equações das posições e do deslocamento da isoterma liquidus em relação ao tempo é possível, mediante a breve manipulação matemática se determinar às velocidades de deslocamento das isotermas em função das distâncias da interface metal/molde, implicando em VL= f(P), como pode ser visto na Fig. 4.4 a

seguir, para as ligas Al005 e Al03.

0 20 40 60 80 100 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 V el oc id ade [VL (mm /s) Tempo [t(s)] VL 0,3%Cu=3,54 x [t]-0,58 VL 0,05%Cu= 2,7 x [t]-0,58 (b) ■ Liga Al005 ▲ Liga Al03 (a) 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 Po siç ão In te rfa ce M/ M [ P( mm) ] Tempo [t(s)] P0,3%Cu= 8,42 x [t]0,42 P0,05%Cu= 6,42 x [t]0,42  ■  Liga Al005 ▲ Liga Al03

 ■  Liga Al005 ▲ Liga Al03 VL0,3%Cu= 68 x [P]-1,39 0 , 0 7 , 5 1 5 , 0 2 2 , 5 3 0 , 0 3 7 , 5 4 5 , 0 0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0 3 , 5 4 , 0 4 , 5 V el oc idade [ V L ( mm/ s ) P o s i ç ã o I n t e r f a c e M / M [ P ( m m ) ] VL0,05%Cu= 34,94 x [P]-1,38

Figura 4.4: Velocidades das isotermas liquidus durante o processo de solidificação das ligas Al005 e Al03.

As curvas obtidas mostram um comportamento similar para as duas ligas, por outro lado, a curva com maior teor de cobre, apresenta um perfil da velocidade mais elevado. Estas evidências permitem refletir melhor sobre a presença do cobre na liga, e que podem estar associadas com a maior ou menor eficiência de contato do metal com o molde nos momentos iniciais da solidificação. Segundo Prates (1978) a velocidade com que o calor é extraído e transferido através do molde para o ambiente tem relação direta com a velocidade de solidificação.

Entretanto, para melhor entender o processo é necessário conhecer duas importantes propriedades dos metais fundidos, a viscosidade e a fluidez. Verran (2004) verificou o efeito do elemento cobre sobre a viscosidade do alumínio Fig. 4.5a. Mesmo com baixos teores, houve um aumento na viscosidade do alumínio. Em seus estudos, Kim e Loper (1995) analisaram a fluidez das ligas Al-Si com variações de cobre até aproximadamente 3,5%. A Fig. 4.5(b) mostra a ação do cobre versus

silício sobre a fluidez do alumínio e suas ligas. É notável a baixa fluidez que o cobre confere quando comparado ao silício.

(a)

(b)

Figura 4.5. Influência dos elementos de liga na viscosidade do alumínio (VERRAN, 2004) (a); variação do cobre versus silício na fluidez do alumínio (KIM et al.,1995) (b).

A baixa fluidez da liga pode ser associada a menor molhabilidade do metal no molde, e este aspecto pode ser relacionado ao “mushy zone” ou intervalo de solidificação ou faixa de solidificação que, segundo Garcia (2006), é identificada pela distância das linhas “Liquidus/Solidus” para cada teor da liga.

Figura 4.6. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a solidificação de ligas com intervalo de solidificação curto ou baixa fluidez (GARCIA at al., 2006).

A Fig. 4.6 mostra uma liga que possui um intervalo de solidificação curto ou baixa fluidez. O“mushy” é mais fino e, em decorrência da maior viscosidade da liga,

o contato fica menos eficiente o que contribui para a formação de camadas sólidas cada vez mais resistentes à pressão metalostática, deslocando definitivamente, o metal do molde e fazendo com que o próprio metal solidificado passe a atuar como uma camada de molde auxiliar no resfriamento do metal. A Fig. 4.7 a seguir ilustra a situação inversa da Fig. 4.6 comentada anteriormente. Por apresentar maior fluidez do molde ou da liga, apresenta maior molhabilidade, isso implica no “mushy” espesso e em decorrência da maior fluidez da liga o contato entre o molde e o metal fica mais eficiente, o que contribui para uma casca sólida mais delgada, que é menos resistente à pressão metalostática, resultando na compressão desta casca sólida contra a parede do molde. Este fato evita a distorção térmica contribuindo para uma menor atuação do molde na extração de calor.

Figura 4.7. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a solidificação de ligas com intervalo de solidificação longo ou alta fluidez (GARCIA at al., 2006).

4.2.3. Taxa de resfriamento ( ) Τ•

As determinações das taxas foram desenvolvidas no item 3.8. A Fig. 4.8 mostra a evolução da taxa de resfriamento para as ligas Al005 e Al03.

 ■  Liga Al005 ▲ Liga Al03 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 T a xa d e r e sf r iam en t o ( K /S ) P o s i ç ã o I n t e r f a c e M / M [ P ( m m ) ] 0,3%Cu= 44,04 x [P]

-Figura 4.8 Evolução da taxa de resfriamento para as Ligas Al005 e Al03.

A mesma permite representar a evolução da taxa de resfriamento à frente da isoterma liquidus durante a solidificação, para as duas ligas. Observa-se a diminuição progressiva da variável térmica em relação às posições mais afastadas da interface metal/molde. A medida que a solidificação progride as taxas para as duas ligas tendem a convergir na posição 45mm, conseqüência essa devido ao bloco extrator de calor perder a eficiência.

Segundo Quaresma (1999), o contato inicial define a eficiência da extração calorífica, influenciando na formação das estruturas brutas de solidificação. Nota-se que com o aumento do teor de cobre na liga o perfil da taxa de resfriamento tende a ser mais elevados. Nota-se que com o aumento do teor de cobre na liga, o perfil da taxa de resfriamento tende a ser mais elevado.

4.3. Caracterização Mecânica do Material Fundido para o Dispositivo Unidirecional 4..3.1. Relação entre o LRT, e as dimensões “Dimples” do fundido.

A Fig. 4.9, apresenta a leitura química feita nos contornos das micro

1,51 • Τ 0,05%Cu= 4.1 x [P]-0.89 • Τ