CORRELAÇÃO ENTRE PARÂMETROS TÉRMICOS E ESTRUTURAS DENDRÍTICAS NA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL EM LIGA DO SISTEMA Al-Si

CORRELAÇÃO ENTRE PARÂMETROS TÉRMICOS E ESTRUTURAS DENDRÍTICAS NA SOLIDIFICAÇÃO...

CORRELAÇÃO ENTRE PARÂMETROS TÉRMICOS E ESTRUTURAS DENDRÍTICAS NA SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL EM LIGA DO SISTEMA Al-Si.

Marcelo Torres de Oliveira* ; Cláudio Alves de Siqueira Filho.

Folha 17, Quadra 04, Lote Especial. Nova Marabá CEP: 68505-080.

E-mail*: oliveira.engmate@gmail.com

Universidade Federal do Pará – UFPA e Faculdade de Engenharia de Materiais – FEMAT, Marabá – Pará.

1. Resumo

Em estruturas brutas de solidificação, estabelecer correlações entre microestrutura e as propriedades mecânicas decorrentes, é uma tarefa complexa e que se inicia pela análise dos diferentes aspectos microestruturais, como tamanho de grão, microestruturas de solidificação, inclusões, porosidades, etc. Alguns trabalhos da literatura afirmam que o tamanho do espaçamento interdendríico é mais importante que o próprio tamanho de grão para as propriedades mecânicas que resultam do arranjo microestrutural. Por outro lado, os espaçamentos dendríticos dependem das condições térmicas durante o processo de solidificação e de parâmetros tais como, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (T• ) e teor de soluto (C0) nos espaçamentos dendríticos, daí a importância de se poder contar com uma forma quantitativa que permita expressar essa interdependência.

Desta forma o presente trabalho consiste, portanto em percorrer todo esse caminho, a partir da solidificação unidirecional de uma liga Al-5%Si em diferentes condições de solidificação, tais como: variações no superaquecimento de 2 ºC, 10 ºC e 20 ºC e condições de extração de calor da chapa molde (Polida e Recoberta), registrar a evolução de temperatura ao longo do processo, levantar experimentalmente os parâmetros térmicos de solidificação e Estabelecer correlações com as microestruturas e os parâmetros térmicos de solidificação.

Palavras Chaves: Solidificação Unidirecional; Parâmetros Térmicos; Espaçamentos Dendríticos.

2. Introdução

As ligas Al-Si, conhecidas como ligas da série A 3XX.X, perfazem aproximadamente 90% de todos os produtos fundidos de Alumínio. A razão para a ampla utilização desta série deve-se à atrativa combinação entre propriedades mecânicas e a excelente fundibilidade. As propriedades das ligas alumínio-silício são fortemente dependentes do processo de fundição empregado, das adições de elementos para modificação do eutético, da estrutura granulométrica, da morfologia do silício primário e do tratamento do metal líquido. Sabe-se que para a maioria das condições de solidificação, a morfologia dendrítica é a característica dominante da microestrutura. Microestruturas dendríticas finas em fundidos, caracterizadas pelos espaçamentos dendríticos, são reconhecidas pelas propriedades mecânicas superiores, particularmente quando se considera a resistência à tração e ductilidade.

Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas para definir os fatores que afetam a formação dessas estruturas dendríticas e que mostram relações entre espaçamentos dendríticos como função de: concentração de soluto (Co), Velocidade da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (T) e gradiente térmico à frente da isoterma liquidus (GL). Predições de espaçamentos dendríticos confiáveis na solidificação são de importância primordial. Recentes investigações do crescimento dendríticos de ligas Sn-Pb e Al-Cu sob condições de fluxo de calor transitório têm mostrado que nem sempre os modelos teóricos existentes concordam com as observações experimentais. A inserção de expressões analíticas para a velocidade de crescimento da ponta da dendrita e taxa de resfriamento em equações experimentais foi proposta recentemente no sentido de estabelecer formulações empíricas que relacionem os espaçamentos dendríticos com as variáveis operacionais da solidificação em regime transitório.

O presente trabalho investiga a influência dos parâmetros térmicos de solidificação sobre os espaçamentos dendríticos secundários na solidificação unidirecional transitória da liga Al-5%Si em diferentes condições de solidificação, tais como: variações no superaquecimento de 2 ºC, 10 ºC e 20 ºC e condições de extração de calor da chapa molde (Polida e Recoberta).

3. Procedimento experimental

Foram utilizados quatro lingotes de uma liga Al-5%Si (% em peso), Lingoteira de Aço

Inoxidável SAE 310, com diâmetro interno de 50 m, altura 150 m e espessura de parede de 5 m e uma chapa de fundo também de aço inox SAE 310 com espessura de 4 m. Adotaram-se superaquecimentos de 2ºC, 10ºC e 20ºC para chapa molde polida e 2ºC para chapa molde recoberta.

Detalhamentos do dispositivo utilizado no experimento de solidificação direcional podem ser encontrados em trabalhos anteriores envolvendo solidificação ascendente (Siqueira; Cheung; Garcia, 2002) e (Peres et al., 2004), ver Figura 1, o dispositivo foi projetado de tal modo que a extração de calor ocorre somente pela parte inferior refrigerada a água, promovendo uma solidificação unidirecional vertical ascendente. A liga foi fundida in situ e as resistências elétricas laterais do forno tiveram sua potência controlada a fim de permitir a obtenção de níveis de superaquecimentos desejados. Para começar a solidificação as resistências elétricas foram desligadas e ao mesmo tempo o fluxo de água foi iniciado.

As temperaturas no metal foram monitoradas durante a solidificação através de um conjunto de 9 (nove) termopares tipo K, localizados no metal líquido nas seguintes posições em relação à interface metal/molde: 4, 8, 12, 17, 2, 38, 53, 68 e 8 m. Todos os termopares foram conectados por um cabo coaxial a um registrador de dados interfaceado com um computador, e os dados de temperatura foram adquiridos automaticamente.

Finalmente, os lingotes obtidos (Al-5%Si molde polido com superaquecimento de 2ºC, 10ºC, 20ºC e Al-5%Si molde recoberto, superaquecimento de 2ºC) foram submetidos a técnicas metalográficas para caracterizar e quantificar as estruturas dendríticas resultantes. Nove corpos de provas foram retirados de cada lingote e a seguinte solução ácida foi utilizada na revelação microestrutural: 5% de HF em água destilada.

Figura 1. Esquema experimental utilizado no processo de solidificação unidirecional.

4. Resultados e discussões

A Figura 2 mostra a Correlação entre as curvas experimentais que representam a velocidade da isoterma liquidus em função da posição para as diferentes condições de solidificação. De acordo com os dados apresentados, a diferença de velocidade devido a características individuais de solidificação para as diferentes condições utilizadas neste trabalho. A solidificação com o chapa molde recoberto sofre uma redução na velocidade, isto porque existe uma diminuição na capacidade de troca térmica oriunda do recobrimento do molde, promovendo uma redução na velocidade da curva de solidificação.

Superaqueciento de 2 oC Superaqueciento de 10 oC Superaqueciento de 20 oC Superaqueciento de 2 oC - Chapa Molde Recoberta

T a x a R e s f r i a m e nto

Posição [ m ]

Figura 2. Correlação entre as curvas experimentais que representam a velocidade da isoterma liquidus em função da posição para as diferentes condições de solidificação em moldes de aço inoxidável SAE 310 polido e recoberto.

A Figura 3 mostra a comparação entre as curvas obtidas experimentalmente para a taxa de resfriamento (T) em função da posição a partir da interface metal/molde, onde se observa que os valores de T diminuem para posições mais afastadas desta interface, o que era esperado, devido o aumento crescente da resistência térmica da camada solidificada com a evolução do processo de solidificação. Nota-se também, através dessa figura, que a solidificação com superaquecimento de 200C é a que apresenta maior eficiência em virtude do favorecimento da troca térmica.

4,5 Liga do Sistema Binário Al-Si

Al-5% SiTv
Al 5% SiTv
Al 5% SiTv
Al 5% SiTv

634ºC molde recoberto

V e l o c i d a de [ m m/s

Posição [ m ]

Figura 3. Correlação entre curvas experimentais que representam a taxa de resfriamento como função da posição para a Liga Al-5%Si solidificada em molde aço inoxidável SAE 310 polido com superaquecimento de 2ºC, 10ºC, 20ºC e molde recoberto com superaquecimento de 2ºC.

Na Figura 4 pode-se observar Microestruturas típicas ao longo da seção longitudinal da liga hipoeutética Al-5%Si. As microestruturas foram obtidas através de medidas nas posições 8, 17, 38, e 68 m a partir da interface metal/molde.

Figura 4. Micrografia da liga Al-5%Si contendo os espaçamentos dendríticos secundários para as posições (a) 8mm; (b) 17mm; (c) 38mm e (d) 68mm da interface metal/molde.

velocidade da isoterma liquidus para a liga Al-5%Si. Observa-se que expressões do tipo

A Figura 5 apresenta correlações entre os espaçamentos dendríticos secundários e a

L2V 30,0 −=λ ] caracterizam a variação experimental dos espaçamentos dendríticos secundários em função da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus.

Experimental Bouchard-Kirkaldy [ a = 9 ]

E s p a ç a m e nto

D e n drítico

S e c u n dário

Velocidade da Isoterma Liquidus V [ m/s ]

Experimental T = 634ºC

Experimental T = 642ºC

Experimental T = 652ºC

Experimental T = 634ºC Recoberta

E s p a ç a m e nto

D e n drítico

S e c u n dário

Velocidade VL [m/s ]

Figura 5. Espaçamento Dendrítico Secundário em função da velocidade para liga binária

L2V 30,0 −=λpara os superaquecimentos de 2 oC, 10 oC e

L2V 16,0 −=λ para o superaquecimento de 2 oC em chapa molde recoberta.

A Figura 6 a, b, c e d apresenta as comparações entre resultados experimentais de 2 em função da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus e os resultados gerados pelo modelo teórico desenvolvido por Bouchard - Kilkaldy com um fator de calibração a2 = 9 para ligas do sistema Al-Si, conforme sugerido em trabalho dos referidos autores [Bouchard,

1997]. Observa-se boa concordância para qualquer condição de solidificação examinada.

( a )( b )

Experimental Bouchard-Kirkaldy [ a = 9 ]

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Velocidade da Isoterma Liquidus V [ m/s ]

10 Al-5%%%%Si - TV = 634 oC - Chapa Molde Recoberta

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Experimental Bouchard-Kirkaldy [ a = 9 ]

Velocidade da Isoterma Liquidus V [m/s]

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Experimental Bouchard-Kirkaldy [ a = 9 ]

( c )( d )

Velocidade da Isoterma Liquidus V [ m/s ]

Figura 6. Comparação entre os espaçamentos dendríticos secundários experimentais e teóricos em função da velocidade para ligas do sistema Al-Si.

A Figura 7 a, b, c e d apresenta a correlação de λ2 com o tempo local de solidificação tSL para os resultados experimentais e os modelos de Kirkwood e Bamberger.

Observa-se que o modelo de Kirkwood representado pelas equações:

SL2MtK=λ [ m ]onde: ()()

oE oELo C

Cln

D M [ m3/s ]e K = 5,5

CCmk1

( Feurer e Wunderlin) e K = 5,0 ( Kirkwood ) sendo CE a composição eutética. Observa-se que Bamberger relaciona os espaçamentos dendríticos secundários com o tempo local de solidificação apresentando a equação; ( ) 43,0

SLSi2 tA=λ

Observa-se ainda que o modelo apresentado por Kirkwood representa satisfatoriamente os resultados experimentais, enquanto que o modelo de Bamberger superestima os resultado experimentais.

Experimental λ = 14 ( t ) - Bamberger et. al λ = 5 (Mt ) - Kirkwood

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Tempo Local de Solidificação t [ s ]

Experimental λ = 14 ( t ) - Bamberger et. al λ = 5 (Mt ) - Kirkwood

E s p a ç a m e nto

D e d r í t i c o S e c u n dário

Tempo Local de Solidificação t [ s ]

Experimental λ = 14 ( t ) - Bamberger et. al λ = 5 ( Mt ) - Kirkwood

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Tempo Local de Solidificação t [ s ]

( a )( b )
( c )( d )

Al-5%Si - 634 - Molde Recoberto

Figura 7. Comparação entre os espaçamentos dendríticos secundários experimentais e o tempo local de solidificação para a liga Al-5%Si em diferentes condições de solidificação.

Experimental λ = 14 ( t ) - Bamberger et. al λ = 5 (Mt ) - Kirkwood

E s p a ç a m e nto

D e n d r í t i c o S e c u n dário

Tempo local de solidificação t [ s ]

5. CONCLUSÕES

A análise teórica desenvolvida neste trabalho, para solidificação da liga hipoeutética

Al-5%Si em condições transitórias de fluxo de calor, os resultados experimentais obtidos e analisados e as comparações com as simulações desenvolvidas permitem que sejam extraídas as seguintes conclusões:

5.1 – As microestruturas observadas ao longo das seções longitudinais permitiram quantificar os espaçamentos dendríticos secundários;

• Parametrizado o superaquecimento, observa-se que os espaçamentos dendríticos secundários diminuem à medida que a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus e a taxa de resfriamento cresce;

• Verifica-se que os espaçamentos dendríticos secundários são independentes do superaquecimento, já quando se analisa em função da condição da chapa molde polido e recoberto o espaçamento dendrítico secundário diminui;

5.2 – Quanto à aplicabilidade dos modelos de crescimento dendrítico da literatura, verifica-se que:

• Os valores para λ2 experimentais são melhores representados em função da velocidade de deslocamento da isoterma pelo modelo teórico desenvolvido por Bouchard-Kirkaldy liquidus, com fator de calibração a2 = 9 correlacionados com a velocidade da isoterma. para as ligas Al- Si;

• Os valores para λ2 experimentais em função do tempo local de solidificação são adequadamente representados pelo modelo teórico de Kirkwood.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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