influência da temperatura de vazamento na formação - IV CONNEPI ...

INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE VAZAMENTO NA FORMAÇÃO DA
TRANSIÇÃO COLUNAR-EQUIAXIAL DA LIGA AL-3%SI
Antonio Luciano Seabra MOREIRA (1); Diego de Leon Brito CARVALHO (1); Daniel
Joaquim da Conceição MOUTINHO (2); José Marcelino da Silva Dias FILHO (2); Otávio
Fernandes Lima da ROCHA (2)
(1) Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia Mecânica – Instituto de Tecnologia – Rua Augusto Corrêa
n° 1, Guamá, CEP: 66075-110, Fone 3201-7323, e-mail: diegodlbc@hotmail.com
(2) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará, e-mail: otvrocha@oi.com.br
RESUMO
O processo de fundição representa a mais importante alternativa para a fabricação de produtos metálicos
acabados e semi-acabados. As condições térmicas operacionais em que a transformação líquido/sólido
ocorre, tais como gradientes de temperatura e taxas de resfriamento, variam de processo para processo e
podem também depender tanto do tempo como da posição, por exemplo, em relação à interface metal/molde.
Tais condições transientes, juntamente com as diferentes composições das ligas, conduzem a múltiplas
possibilidades de obtenção de estruturas finais para um mesmo produto fundido e, por conseguinte, para o
seu desempenho mecânico. Durante a mudança de fase líquido/sólido de um material metálico, as condições
operacionais envolvidas proporcionam o surgimento de três zonas estruturais, ou seja, zonas coquilhada,
colunar e equiaxial. A caracterização da macroestrutura deste tipo de material consiste no estudo da
geometria, dimensão, distribuição e orientação cristalográfica dos grãos obtidos. Considerando o exposto, o
objetivo deste trabalho consiste na análise da influência da temperatura de vazamento no processo de
solidificação da liga Al-3%Si, com superaquecimentos nulo e 10% acima da temperatura liquidus da referida
liga. A liga foi vazada em um dispositivo refrigerado a água que permite a solidificação unidirecional
horizontal e o monitoramento, através de um sistema de aquisição de dados, da variação da temperatura em
diferentes posições da peça. As macroestruturas obtidas são analisadas assim como é estudada a influência
do grau de superaquecimento na formação da transição colunar-equiaxial da liga Al-3%Si.
Palavras-chave: solidificação, transição colunar-equiaxial, superaquecimento, liga Al-3%Si.

1. INTRODUÇÃO
A utilização de materiais metálicos com macroestruturas homogêneas, isto é, constituídas por grãos de
pequenas dimensões, sem orientação preferencial de crescimento e distribuídos uniformemente no interior da
peça, é muito importante sob o ponto de vista do aumento do grau de isotropia desses materiais e, portanto,
da melhoria de suas propriedades.
A macroestrutura de produtos fundidos consiste geralmente de três zonas distintas conhecidas,
respectivamente, como coquilhada, colunar e equiaxial. A origem de cada uma tem sido objeto de diversos
estudos teóricos e experimentais devido a importante correlação existente entre grãos cristalinos e
propriedades mecânicas. As referidas zonas podem ou não estar presentes simultaneamente em uma peça
fundida, contudo, quando esta apresenta grãos colunares e equiaxiais, ocorre o surgimento da chamada
transição colunar-equiaxial (TCE). O estudo da TCE está associado a muitos parâmetros que influenciam
durante o processo de solidificação tais como sistema da liga, composição da liga, superaquecimento do
líquido, propriedades termofísicas do metal e do molde, coeficiente de transferência de calor na interface
metal-molde, taxa de resfriamento, dimensão da peça, convecção no líquido, transporte de soluto,
concentração de partículas nucleadoras, direção de crescimento da frente de solidificação, etc (DOHERTY et
al., 1977; MAHAPATRA e WEINBERG, 1987; ZIV e WEINBERG, 1989; WANG e BECKERMANN,
1994; ARES e SCHVEZOV,2000; SIQUEIRA et al., 2003; WILLERS et al., 2005 e CANTÉ et al., 2007 ).
A previsão da transição em questão é de grande interesse para avaliação e projeto das propriedades
mecânicas de produtos solidificados. A dificuldade de estabelecer-se uma correlação entre condições
térmicas de solidificação e estrutura resultante tem limitado o desenvolvimento de determinados
procedimentos e métodos capazes de elevar a qualidade final de peças fundidas através da ativação de
mecanismos que proporcionem a obtenção de grãos equiaxiais (SIQUEIRA et al., 2002).
Por possuir uma vasta variedade de combinações de propriedades, o alumínio é considerado um dos mais
versáteis materiais utilizados na engenharia. Na fabricação de ligas de alumínio fundidas, o silício é o
primeiro elemento em importância na ordem de fabricação. As ligas Al-Si, conhecidas com ligas da série A
3XX.X, perfazem aproximadamente 90% de todos os produtos fundidos de alumínio. A justificativa para a
ampla utilização desta série deve-se à atrativa combinação entre propriedades mecânicas e excelente
fundibilidade. Um dos principais atributos das ligas Al-Si é a sua fluidez, ou seja, a habilidade para
preencher uma cavidade de molde (PERES et al., 2004). As propriedades das ligas alumínio-silício são
fortemente dependentes do processo de fundição utilizado, das adições de elementos para modificação do
eutético, da estrutura granulométrica, da morfologia do silício primário e do tratamento do metal líquido para
remoção de hidrogênio e inclusões.
Tendo em vista a relevância do assunto, este trabalho apresenta como principal objetivo analisar a influência
da temperatura de vazamento na formação da TCE da liga Al-3%Si solidificada em molde de aço refrigerado
à água. Os dados obtidos permitiram a caracterização das respectivas macroestruturas bem como identificar
os efeitos impostos pela variação do superaquecimento na posição da TCE.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A TCE tem sido objeto de vários estudos numéricos, analíticos e experimentais com o intuito de
compreender o comportamento da transição em questão. Esses estudos levam em conta a importância do
crescimento relativo de grãos colunares e equiaxiais e o desenvolvimento de expressões ou procedimentos
numéricos para descrever um critério para a transição colunar-equiaxial (ARES e SCHVEZOV, 2000). Hunt
e co-autores (1987) desenvolveram modelos para descrever a TCE baseados no super-resfriamento do metal
que mostram a influência da composição da liga, densidade de sítios nucleantes, gradiente de temperatura no
líquido (GL) e velocidade de crescimento da dendrita (VL). Wang e Beckermann (1994) propuseram um
modelo numérico para prever a posição da TCE na solidificação de ligas baseado na difusão de soluto e calor
assim como na nucleação, crescimento e morfologia dos grãos. Com recentes avanços na área
computacional, técnicas de simulação da microestrutura asseguram melhores perspectivas quanto ao
modelamento matemático da TCE. Nos últimos anos, diversos estudos de natureza numérica têm sido
propostos para simular a TCE em ligas metálicas fundidas (DONG e LEE, 2005; BADILLO e
BECKERMANN, 2006).

Por outro lado, investigações experimentais encontradas na literatura sugerem que a TCE ocorre quando o
gradiente de temperatura no líquido atinge um valor crítico mínimo. Mahapatra eWeinberg (1987)
encontraram valores de 0,10 e 0,13 ºC/mm, respectivamente, para as ligas Sn-5%Pb e Sn-15%Pb. Ziv e
Weinberg (1989) mostraram que a TCE ocorre quando o referido gradiente alcança um mínimo de 0,06
ºC/mm para a liga Al-3%Cu. Ares e Schvezov (2000) desenvolveram experimentos com ligas Sn-Pb
solidificadas direcionalmente em molde refrigerado e observaram que a TCE ocorre em um plano bem
definido paralelo à interface metal/molde quando o gradiente de temperatura no líquido diminui para valores
que variam entre - 0,8 a 1 o C/cm.
Mais recentemente, Siqueira et al. (2002 e 2003) e Spinelli et al. (2004) realizaram experimentos com ligas
Sn-Pb variando a composição, super-aquecimento do líquido e extração de calor através das partes inferior e
superior do molde, promovendo a solidificação direcional vertical ascendente e descendente,
respectivamente. Esses autores analisaram como a transição colunar-equiaxial pode ser afetada pela
convecção no líquido.
Finalmente, Silva et al. (2009) investigaram a TCE durante a solidificação direcional horizontal transitória
em molde refrigerado com quatro ligas de diferentes composições do sistema Sn-Pb, considerando os efeitos
impostos pela convecção termo-solutal na formação da TCE. Um método numérico permitiu a determinação
quantitativa de parâmetros térmicos de solidificação, tais como coeficiente de transferência de calor
transiente na interface metal/molde, velocidade de crescimento da dendrita, gradientes térmicos e taxa de
resfriamento, que afetam a transição da estrutura.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
O procedimento experimental adotado neste trabalho consistiu primeiramente no projeto, construção e
aferição de um dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado à água, o qual se encontra
detalhado em artigo anterior (SILVA et al., 2009) e apresentado esquematicamente na Figura 1.
Figura 1 – Esquema do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado a água utilizado nos
experimentos deste trabalho (SILVA et al., 2009).
A liga Al-3%Si foi fundida em um forno elétrico tipo mufla à resistência, conforme mostrado na Figura 2.
Inicialmente, foram colocados manualmente os respectivos materiais constituintes da mesma na proporção
exata no cadinho de carbeto de silício, revestido internamente por uma camada protetora de tinta à base de
caulim, na proporção de 75% de caulim e 25% de água. A temperatura do forno foi programada para
garantir, respectivamente, superaquecimentos nulo e 10% acima da temperatura liquidus da liga investigada,

ou seja, 644 e 708 o C. Logo após, o cadinho foi retirado do forno e o metal líquido homogeneizado durante
um tempo de aproximadamente 20 segundos.
Figura 2 – Forno tipo mufla utilizado para fusão da liga Al-3%Si na realização dos experimentos.
O processo de solidificação consistiu no vazamento da liga Al-3%Si no interior de um molde de chapa de
aço 1020, posicionado na parte superior do dispositivo, devidamente aquecido por resistências elétricas,
conforme indicado na Figura 3a. Uma vez atingidas as temperaturas de vazamento estabelecidas, isto é, 0% e
10% acima da temperatura liquidus, o dispositivo foi então desligado iniciando-se o processo de refrigeração
através de um fluxo de água constante na parte frontal do mesmo.
A obtenção das respectivas curvas de resfriamento permitiu a verificação das temperaturas liquidus e solidus,
análise térmica da liga para confirmação do teor de soluto através do processo de absorção atômica assim
como a obtenção dos perfis de temperatura para cinco posições de termopares (6, 12, 17, 36 e 54 mm) em
relação à interface metal/molde. As etapas consideradas para a caracterização macroestrutural se encontram
detalhados em trabalho recente (SILVA et al., 2009). As curvas de resfriamento foram obtidas através do
registro de temperaturas até a completa solidificação da liga. Os dados foram armazenados em um
registrador de temperaturas do tipo AMR–CONTROL, marca ALMEMO e tratados em software específico
para plotagem das curvas da liga analisada, como apresentado na Figura 3b.
(a) (b)
Figura 3 – Operação de vazamento e monitoramento on-line das curvas de resfriamento da Liga Al-3%Si.
(a)

A Figura 4 apresenta o diagrama de fases do sistema Al-Si, respectivamente, em sua formatação completa e
detalhada indicando de maneira mais precisa a composição da liga Al-3%Si bem como as temperaturas de
início e fim da transformação líquido/sólido, ou seja, temperatura liquidus (TL) e temperatura solidus (TS). A
Tabela 1 apresenta a composição química dos metais constituintes da liga Al-3%Si.
(a) (b)
Figura 4 – Diagrama de equilíbrio do sistema Al-Si: (a) completo e (b) detalhado (PERES et al., 2004).
Tabela 1 – Composição química dos metais puros utilizados na elaboração da liga Al-3%Si.
Metal Composição Química (%)
Al Fe Ni Si P Ca Ti Zn
Al 99,7074 0,1365 0,0069 0,103 - 0,0162 - 0,0084
Si 0,1094 0,3164 0,0102 99,596 0,0100 0,0214 0,0455 -
4. ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS
Na Figura 5 é apresentado o perfil térmico da curva de resfriamento da liga Al-3%Si. Observa-se que os
valores obtidos para as temperaturas liquidus e solidus da liga investigada correspondem aproximadamente
àqueles indicados no diagrama de fases mostrado na Figura 4b.

Figura 5 – Curva de resfriamento da liga Al-3%Si.
As Figuras 6 e 7 apresentam as macroestruturas resultantes obtidas segundo as condições de solidificação
citadas anteriormente neste trabalho para a liga Al-3%Si, isto é, com superaquecimentos nulo e 10% acima
da temperatura liquidus, respectivamente.
Figura 6 – Macroestrutura da liga Al-3%Si obtida com superaquecimento nulo.
Figura 7 – Macroestrutura da liga Al-3%Si obtida com superaquecimento 10% acima da temperatura liquidus.

No primeiro caso, podemos observar a não ocorrência da TCE uma vez que a estrutura apresenta somente
grãos equiaxiais de dimensões reduzidas, sendo que os mesmos tornam-se mais grosseiros à medida que se
distanciam da interface metal/molde. Os referidos grãos, portanto, não possuem direção preferencial de
crescimento. Tal tipo de estrutura pode ser justificada, provavelmente, por meio da baixa temperatura de
vazamento empregada assim como pela ausência de superaquecimento no metal líquido, fatores de ordem
operacional que estimulam a formação de grãos equiaxiais. No segundo caso, verificamos a presença da TCE
à uma distância de aproximadamente 6,5 cm a partir da interface metal-molde. Os grãos colunares
apresentam-se bastante grosseiros e orientados segundo a direção de extração de calor. A tendência que os
mesmos possuem no sentido diagonal pode ser explicada, possivelmente, por fugas de calor latente ocorridas
durante a mudança de fase líquido/sólido proporcionadas pela temperatura de vazamento empregada que,
somada ao elevado valor da temperatura liquidus da liga analisada, ultrapassou a capacidade operacional do
dispositivo de solidificação unidirecional horizontal utilizado nos experimentos. Os grãos equiaxiais da
referida estrutura, por outro lado, apresentam-se semelhantes àqueles localizados na extremidade direita da
macroestrutura anterior. Assim, podemos concluir que a presença de superaquecimento estimulou o
aparecimento da TCE na liga estudada pois estimulou o surgimento da zona colunar.
5. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos neste trabalho para a liga Al-3%Si permitem que sejam extraídas as seguintes
conclusões:
• Ausência de superaquecimento parece favorecer o surgimento de grãos equiaxiais de dimensões reduzidas
na liga estudada nas condições de solidificação assumidas.
• A presença de superaquecimento parece incentivar a ocorrência de grãos colunares promovendo assim o
surgimento da TCE.
• A análise da TCE em materiais metálicos é de grande interesse para a determinação das propriedades
mecânicas relacionadas a produtos fundidos.
• Os estudos referentes à TCE em ligas do sistema Al-Si são muito importantes sob os pontos de vista
científico, tecnológico e industrial.
• Seria interessante, sob o ponto de vista científico, a realização de estudos referentes à TCE em outras
ligas do sistema Al-Si considerando, por exemplo, variação do teor de soluto, de temperaturas de
vazamento e direção de crescimento da frente de solidificação pois existem poucos trabalhos propostos na
literatura sobre as mesmas.
6. REFERÊNCIAS
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in lead-tin alloys. Metallurgical and Materials Transactions 31A (2000) 1611-1625.
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alloy solidification. Acta Materialia 54 (2006) 2015–2026.
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columnar-to-equiaxed transition in directionally solidified Al–Ni and Al–Sn alloys. Materials Letters 61
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