TransiçÃo colunar equiaxial na solidificaçÃo direcional de ligas multicomponentes à base de alumínio



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TRANSIÇÃO COLUNAR EQUIAXIAL NA SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL DE LIGAS MULTICOMPONENTES À BASE DE ALUMÍNIO


L. G. Gomes(1); D. J. C. Moutinho(1); O. F. L. Rocha(1); I. L. Ferreira(2); A. Garcia(3)

Av. Alm. Barroso, Nº 1155 – Caixa Postal 479 – CEP 66093-020 Belém, PA, Brasil



laercio.gomes@ifpa.edu.br
1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – IFPA

2 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal Fluminense – UFF

3 Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

RESUMO
Neste trabalho, a transição colunar/equiaxial (TCE) foi investigada experimentalmente na solidificação unidirecional de três ligas multicomponentes à base de alumínio (Al-nSi-3Cu), com “n” igual a 5,5, 7,5 e 9% em massa. As macroestruturas brutas de solidificação obtidas foram correlacionadas com parâmetros térmicos de solidificação (VL – Velocidade de solidificação à frente da isoterma liquidus; GL – Gradiente de temperatura à frente da isoterma liquidus e; – taxa de resfriamento) e comparadas com outras obtidas na literatura para ligas binárias do sistema Al-mSi, sendo “m” igual a 5, 7 e 9%. Os resultados mostram para as ligas estudadas que a concentração de soluto influência a posição experimental da TCE e que a mesma acontece para um valor médio da taxa de resfriamento em torno de 1,17 K/s, aproximadamente 7 vezes maior que os valores correspondentes encontrados para as ligas Al-mSi.
Palavras-chave: Solidificação direcional; Macroestruturas; Transição colunar/equiaxial; ligas Al-Si-Cu.

INTRODUÇÃO 

A solidificação se processa a partir da formação, no líquido, de núcleos sólidos que crescem em função das condições locais de resfriamento. Define-se então, a macroestrutura de um metal solidificado pela caracterização da morfologia dos grãos cristalinos, suas dimensões e orientação cristalográfica. O aspecto mais importante da formação da macroestrutura de um metal fundido está ligado à sua correlação com as propriedades mecânicas [1-2].



Na macrossegregação de materiais policristalinos pode-se identificar três zonas macroestruturais distintas: zona Coquilhada; zona Colunar e zona Equiaxial (Figura 1). A zona coquilhada é formada por uma camada de grãos cristalinos de orientações aleatórias, normalmente de pequenas dimensões, e que são localizados junto às paredes do molde. Em seguida, tem-se a zona colunar onde os grãos cristalinos são alongados e alinhados paralelamente à direção do fluxo de calor, isto é, normais às paredes do molde. A terceira zona, equiaxial central, é constituída por uma região central de grãos cristalinos sem orientações preferenciais e de dimensões relativamente grandes quando comparadas com os grãos coquilhados.


(c)

(b)

(a)


Figura 1. Zona Coquilhada (a); Zona Colunar (b) e Zona Equiaxial (c).

Peças fundidas ou lingotes de materiais metálicos podem apresentar estruturas completamente colunares ou totalmente equiaxiais dependendo da composição química da liga e das condições de solidificação.

Essa forma estrutural mista só acontece se for possível nuclear e crescer grãos equiaxiais à frente da interface colunar de crescimento, provocando uma transição entre os modos de crescimento. Os grãos equiaxiais exercem um crescimento competitivo com frente colunar, de tal forma que, se os cristais equiaxiais forem pequenos eles são adicionados à essa frente e passam a crescer de forma colunar dendrítica. Entretanto, se a zona super-resfriada à frente da interface colunar for relativamente grande e com alta densidade de cristais, esses grãos equiaxiais têm tempo suficiente para formar uma fração volumétrica suficientemente alta a ponto de bloquear o crescimento colunar. A determinação do ponto onde ocorre a transição colunar/equiaxial é importante para o planejamento do processo e para que se possam projetar as propriedades mecânicas do produto [2].

Foram realizados estudos sobre macroestruturas de solidificação de ligas do sistema binário Al-Si (Al-5%Si, Al-7%Si e Al-9%Si) solidificadas unidirecionalmente com fluxo de calor vertical ascendente refrigerado à água, utilizando-se chapas molde de aço inox SAE 310 polida e com 2 °C de superaquecimento [3], onde observou-se-se o aparecimento de estruturas colunares e equiaxiais. Os resultados mostraram que a posição da transição colunar/equiaxial parece não sofrer grandes modificações com o aumento do teor de Si da liga.

Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo principal a análise macroestrutural para estudo da Transição Colunar/Equiaxial (TCE) das ligas Al-5,5%Si-3,0%Cu Al-7,5%Si-3,0%Cu e Al-9,0%Si-3,0%Cu sob condições unidirecionais e transitórias de extração de calor. Para tanto, um sistema de solidificação vertical, refrigerado à água, foi utilizado.

MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia experimental para análises das ligas ternárias utilizadas neste trabalho foi planejada da seguinte forma: i. PREPARAÇÃO DAS LIGAS (Cálculo estequiométrico das massas; corte e seleção de materiais; pesagem dos materiais; verificação da composição química dos materiais). ii. FUSÃO E ADIÇÃO DOS MATERIAIS (Fusão dos materiais no forno tipo mufla; homogeneização das ligas; montagem da lingoteira, chapa molde e dos registradores térmicos (termopares) no dispositivo de solidificação; monitoramento dos registros térmicos). iii. VAZAMENTO DAS LIGAS (Faz-se o vazamento na lingoteira; retira-se amostra para verificação da composição da liga; solidificação natural no dispositivo de solidificação e posterior refusão; iniciam-se os registros dos dados térmicos para arquivo; aciona-se o sistema de refrigeração; inicio do processo de solidificação). iv. AQUISIÇÃO DOS DADOS TÉRMICOS (Obtenção dos dados térmicos para arquivo; armazenam-se em arquivo digital as curvas de resfriamento; faz-se o tratamento dos registros térmicos para obtenção das curvas relacionadas aos parâmetros térmicos). v. DESMOLDAGEM DO LINGOTE (Desmoldagem do lingote; corte longitudinal e preparação para macroestrutura). vi. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS TÉRMICOS (Determinam-se as curvas relacionadas aos parâmetros térmicos: P = f(t), VL = f(P), = f(P), GL = f(P).

As ligas foram fundidas em um forno tipo mufla, sendo que o alumínio foi primeiramente adicionado esperando entrar em estado de fusão para facilitar a adição de cobre e silício e homogeneização da liga. Foi utilizado um superaquecimento de 5% para as ligas pesquisadas. Os lingotes foram obtidos através de um dispositivo de solidificação unidirecional vertical refrigerado à água, detalhado em artigos recentes [4-8]. Os dados térmicos durante a solidificação foram registrados por seis/sete termopares nas posições 5, 10, 15, 20, 30, 50 e 70 mm, da chapa metal/molde e armazenados pelo software da AMR data-control. Os lingotes foram seccionados longitudinalmente ao meio por uma serra de fita. Em seguida as amostras foram preparadas para a análise metalográfica, com lixas de granulometrias 100, 220, 320, 400 e 600 mesh, respectivamente. Em seguida os lingotes foram atacados quimicamente pelo seguinte reagente: 5 ml HF, 1,5 ml HNO3, 3 ml HCl e 90,5 ml H2O.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Tabela 1 mostra os resultados das posições da transição colunar/equiaxial, das velocidades da isoterma liquidus, gradientes térmicos e taxas de resfriamento determinados experimentalmente, para as ligas do sistema ternário Al-Si-Cu estudadas, solidificadas unidirecionalmente com fluxo de calor vertical ascendente, chapa molde em aço carbono 1020 polida em 3 mm de espessura e superaquecimento de 5 °C.



              1. Tabela 1. Parâmetros Térmicos Experimentais de Solidificação Associados à Transição Colunar/Equiaxial para Ligas Ternárias Al-Si-Cu.

Ligas Ternárias

Posição TCE

[ mm ]


Velocidade da Isoterma liquidus

( VL) [ mm/s ]



Taxa de Resfriamento

() [ºC /s ]

Gradiente de Temperatura

( GL) [ºC/mm ]



Al-5,5%Si-3,0%Cu

70

0,63

1,23

1,95

Al-7,5%Si-3,0%Cu

78

0,25

1,06

4,24

Al-9,0%Si-3,0%Cu

95

0,58

1,23

2,11

As macroestruturas das ligas Al-5,5%Si-3,0%Cu, Al-7,5%Si-3,0%Cu e Al-9,0%Si-3,0%Cu são apresentadas na Figura 2. Verifica-se que as TCE obtidas correspondem a posições a 70 mm, 78 mm e 95 mm, em relação à interface de refrigeração, respectivamente. De acordo com a Figura 2 a posição da TCE sofre grandes modificações com o aumento da composição da liga, contrariando os resultados obtidos por Peres [3] em que o teor de Si das ligas Al-Si não influenciou a posição experimental da transição colunar/equiaxial. A análise dos parâmetros térmicos da Tabela.1 permite que se identifique a variável como a responsável pela transição, ou seja uma taxa de resfriamento média de 1,17 ºC/s, já que a variação entre VL e GL para as diferentes composições apresentam diferenças significativas. Resultados semelhantes foram obidos por Siqueira [9] que encontrou para ligas Al-Cu uma taxa crítica de 0,2 ºC/s. Por outro lado, os resultados de Peres não permitiram identificar uma variável particular como a responsável pela transição pois, segundo o autor, as variações de VL, GL e para as diferentes ligas Al-Si não foram significativas a ponto de se poder destacar uma delas, mas verificou-se que a taxa de resfriamento na TCE apresentou um valor médio de 0,17 K/s, que é muito próximo do valor crítico de 0,2 K/s atribuído em outro estudo como causa da transição macroestrutural em ligas Al-Cu [9]. Vale ressaltar que a TCE para as ligas analisadas neste trabalho, deu-se a taxas aproximadamente de 6 a 7 vezes maiores que as taxas obtidas para as ligas binárias Al-Cu [9] e Al-Si [1], ambas solidificadas num sistema vertical ascendente, o mesmo adotado no presente trabalho.



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