projeto e montagem de um sistema para lingotamento...
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Autor: Wendel Leme Beil
Projeto e montagem de um sistema para
lingotamento contínuo sob agitação
eletromagnética para ligas de Al-Si
CAMPINAS
2015
54/2015
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Autor: Wendel Leme Beil
Projeto e montagem de um sistema para lingotamento
contínuo sob agitação eletromagnética para ligas de Al-Si.
Orientador: Prof. Dr. Eugênio José Zoqui
Campinas
2015
Dissertação de Mestrado apresentada à
Faculdade de Engenharia Mecânica da
Universidade Estadual de Campinas para
obtenção do título de Mestre em Engenharia
Mecânica, na Área de Materiais e Processos de
fabricação.
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Dedico este trabalho a minha família; aos meus pais, Ana e Maurilio; ao meu irmão
Luciano; pelo apoio e presença em todos os momentos de minha vida, a minha filha Isabella e
esposa Gilbéria por compreenderem minha ausência.
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Agradecimentos
Este trabalho não poderia ter sido realizado sem o apoio de diversas pessoas, às quais
expresso meus agradecimentos e minha homenagem:
Aos meus pais, Ana e Maurilio, ao meu irmão Luciano, pelo amor sincero, agora e por
todo o sempre.
Aos colegas do departamento: Cecília Tereza Weishaupt Proni, Gabriela Lujan Brollo,
Davi Benati, Luis Vanderlei Torres e Bruna Vilas Boas por, de alguma forma ter contribuído.
Ao Prof. Dr. Eugênio José Zoqui, pela orientação e compreensão em momentos de
dificuldade.
Ao Prof. Dr. Luciano Augusto Lorençato, pela ajuda e amizade.
Aos técnicos Claudomiro Alves, Fábio Gatamorta, Aristides Magri, Eduardo José
Bernardes, João Eduardo Pólis e José Luís Lisboa, sem os quais equipamentos e experimentos
não seriam possíveis a para a realização desta pesquisa.
Ao eletrotécnico Sr. Salvador Munhoz; pela contribuição externa prestada.
À Unicamp, pela possibilidade de realização deste trabalho.
À escola SENAI “Roberto Mange”, por ter como premissa o aprimoramento de seus
colaboradores.
A todos os professores da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), por compartilharem
conhecimento e desta forma, direta e indiretamente, possibilitaram que este trabalho fosse
concluído.
Ao Físico Miguel Zelaya; pela colaboração em diversos momentos.
xi
“O temor do Senhor é o princípio do
conhecimento; os loucos desprezam a
sabedoria e a instrução”.
Provérbios 1:7
“No principio nada. Tudo é obscuro. Somos como
pessoas perdidas numa floresta. Não hesitemos, porém.
Caminhemos diretamente para frente, duvidando,
examinando, verificando, procurando a verdade”.
René Descartes (1596-1650),
“ Discurso do método, regras para direção do espírito ”
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Resumo
O presente trabalho visa desenvolver um projeto e executar a montagem e teste de um
sistema de lingotamento contínuo, aprimorado com o uso da agitação eletromagnética, para a
fabricação de lingotes de ligas de Al-Si com estrutura refinada de grãos. Durante seu
desenvolvimento, o projeto almejou o estabelecimento de parâmetros construtivos do
equipamento, bem como os parâmetros de processamento para obtenção dos lingotes. Os
parâmetros estudados foram a altura de metal fundido na cavidade do molde, velocidade de
lingotamento, temperatura de vazamento e rugosidade da cavidade do molde. Após serem
determinados os parâmetros construtivos e de processamento, procedeu-se a obtenção dos
lingotes propriamente ditos, em duas condições de refrigeração: refrigeração primária, somente
no molde metálico, e refrigeração primária e secundária (com sistema de refrigeração na saída do
lingote). Para cada uma dessas condições foram obtidos lingotes sem a aplicação do campo
magnético e, sob a agitação eletromagnética a 1500 W com o campo magnético variando de 12 a
20 Gauss e 3000 W com o campo magnético variando de 22 a 38 Gauss. De posse dos lingotes
seguiu-se a caracterização microestrutural por meio de análise metalográfica convencional e
análise metalográfica por polarização de imagem, que buscou verificar a eficiência do sistema no
refino de grãos. A condição de otimização alcançada sugere a fabricação de ligas de Al-Si nas
seguintes condições: a temperatura de vazamento adotada foi de 800 ºC, rugosidade da cavidade
do molde de Ra = 0,06 µm, velocidade de lingotamento 3 mm/s e altura de metal fundido na
cavidade do molde de 15 a 20 mm, em que alcançou-se o tamanho de grãos com 178 µm e
espaçamento interdendrítico de 125 µm, com uma potência de 1500 W e campo magnético de 12
a 20 Gauss.
Palavras chaves: Lingotamento contínuo, A356, agitação eletromagnética e refino de grãos.
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Abstract
This work aims to develop a project and implement the assembly and testing of a continuous
casting system, enhanced with the use of electromagnetic stirring to manufacture ingots of Al-Si
alloys with refined grain structure. During its development the project aspired to establishing
constructive parameters of the equipment, as well as the establishment of the processing
parameters for obtain ingots. The parameters studied were: the molten metal height in the mould
cavity, the casting speed, the casting temperature, and the roughness of the mould cavity. After
setting the construction and processing parameters were obtained obtain the ingots in two cooling
conditions: primary cooling (considering only the metal mould), and primary and secondary
cooling (with the ingot cooling system in the output). For each of these conditions were obtained
ingots without applying the electromagnetic field and with electromagnetic stirring in 1500 W
with a variation of electromagnetic field between 12 to 20 Gauss, and 3000 W with a variation
eletrocmagnetic field between 22 to 38 Gauss. In possession of ingots followed the
microstructural characterization by conventional metallographic analysis and metallographic
analysis by polarization imaging, which aims to evaluate the efficiency of the grain refining
system. The process optimized condition suggests the manufacturing Al-Si alloy in the following
conditions: the pouring temperature was 800 °C, the mold cavity surface roughness Ra = 0.06
µm, casting speed is 3mm/s and molten metal height in the mould cavity of 15 to 20 mm where
grain size up to 180 µm and interdendritic spacing of 125 µm, with a power of 1500 W and
magnetic field of 12 to 20 Gauss.
Key words: Continuous casting, A356, electromagnetic stirring and refining grains.
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Lista de ilustrações
Figura 2.1 Diagrama de fases do sistema Al-Si, (ASM INTERNATIONAL, 1996).............6
Figura 2.2 Modos de transferência de calor atuantes na interface metal/molde...................11
Figura 2.3 Formas de campo eletromagnético para produção da matéria prima para
thixofundição.........................................................................................................................13
Figura 2.4 Diagrama de tratamento ultrassônico em molde de lingotamento contínuo para
ligas leves.....................................................................…………………………………….16
Figura 2.5 Fotografias de uma amostras de A356.................................................................18
Figura 2.6 Sólido gerado pelo Auto CAD, ilustrando a complexidade da estrutura.............19
Figura 2.7 Mecanismos de engrossamento dendrítico de Otswald ripening.........................21
Figura 2.8 Mecanismos de engrossamento dendrítico por coalescência...............................22
Figura 3.1 Fluxograma das etapas desenvolvidas no processo.............................................24
Figura 3.2 Micrografias obtidas da matéria-prima como recebida.......................................26
Figura 3.3 Rugosímetro utilizado para obtenção dos perfis de rugosidade..........................27
Figura 3.4 Montagem do sistema utilizada na execução dos testes preliminares.................29
Figura 3.5 Diferentes formas de energização para estator gerador de campo
eletromagnético.....................................................................................................................30
Figura 3.6 Gausímetro e dispositivo utilizado para mapeamento de campo magnético.......31
Figura 3.7 Comparações entre todas as condições de campo medidas.................................32
Figura 3.8 Vista explodida mostrando todos os componentes existentes no molde de
lingotamento..........................................................................................................................33
xviii
Figura 3.9 Corpo do molde em corte mostrando entrada e saída de refrigeração e estado da
superfície...............................................................................................................................34
Figura 3.10 Desenho em corte mostrando principais cotas e com vista de detalhe C
mostrando posicionamento do termopar no molde lingotador.............................................35
Figura 3.11 Molde com extrator posicionado a espera do vazamento..................................36
Figura 3.12 Posicionamento do extrator em relação ao campo magnético...........................37
Figura 3.13 Sistema de refrigeração secundária...................................................................38
Figura 3.14 Dispositivo utilizado para auxiliar o vazamento...............................................38
Figura 3.15 Conjunto lingotador completo..........................................................................39
Figura 3.16 Exemplo do método utilizado para mensurar o tamanho de grão (a esquerda) e
espaçamento dendrítico (a direita)...................................................................................... 40
Figura 4.1 Lingotes obtidos nas duas tentativas de vazamento do ensaio 1........................43
Figura 4.2 Lingotes obtidos com temperatura de vazamento ajustada em 700 °C...............44
Figura 4.3 Lingotes obtidos com temperatura de vazamento ajustada para 800 ºC.............44
Figura 4.4 Comparação das diferentes temperaturas observadas na região de solidificação
com seus respectivos Ra........................................................................................................45
Figura 4.5 lingote obtido com solidificação convencional e acabamento superficial da
cavidade do molde com Ra 0,06...........................................................................................45
Figura 4.6 Pontos de ocorrência de “sangramento”..............................................................48
Figura 4.7 Lingote com pontos da evolução do sangramento à ruptura...............................48
Figura 4.8 Gráfico com perfil de temperatura para o ensaio com altura útil do molde
aumentada para 25 mm.........................................................................................................49
xix
Figura 4.9 Lingote obtido com altura de metal fundido aumentada de 20 a 25 mm
apresentando deformação axial.............................................................................................50
Figura 4.10 Vista do topo dos lingotes para vários parâmetros ensaiados............................50
Figura 4.11 Exemplos de lingotes produzidos em seus comprimentos máximo e
mínimo..................................................................................................................................54
Figura 4.12 Imagem representativa das posições analisadas por metalografia convencional
e por luz polarizada...............................................................................................................55
Figura 4.13 Micrografias sequenciais obtidas ao longo da seção longitudinal do lingote da
1ª à 6ª.....................................................................................................................................57
Figura 4.14 Micrografias sequenciais obtidas ao longo da seção longitudinal do lingote da
7ª à 10ª...................................................................................................................................58
Figura 4.15 Micrografias da seção transversal, na região periférica, mediana e central dos
lingotes obtidos na condição RP sob 0 W, 1500 W e 3000 W..............................................60
Figura 4.16 Micrografias da seção transversal, na região periférica, mediana e central dos
lingotes obtidos na condição RPS. sob 0 W, 1500 W e 3000 W .........................................62
Figura 4.17 Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
convencional (0 W) na condição RP.....................................................................................64
Figura 4.18 Micrografia da região proximal, medial e distal com solidificação ocorrida sob
agitação a 1500 W na condição de RP..................................................................................65
Figura 4.19 Micrografia da região proximal, medial e distal com solidificação ocorrida sob
agitação a 3000 W na condição de RP................................................................................. 66
Figura 4.20 Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
convencional (0 W) na condição RPS...................................................................................67
Figura 4.21 Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
ocorrida sob agitação de 1500 W na condição RPS..............................................................68
xx
Figura 4.22 Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
ocorrida sob agitação de 3000 W na condição RPS..............................................................69
Figura 4.23 Comparação direta entre tamanhos de grãos obtidos em todas as condições de
ensaio.....................................................................................................................................73
Figura 4.24 Comparação direta entre espaçamentos dendritícos obtidos em todas as
condições de ensaio...............................................................................................................74
Figura 4.25 Relação entre tamanho de grão e espaçamento dendrítico (TG/ED) para todas
as condições de ensaio..........................................................................................................75
xxi
Lista de tabelas
Tabela 3.1 Resultados obtidos após análise de composição química ............................................25
Tabela 3.2 Valores de rugosidade obtidos para realização dos ensaios.........................................28
Tabela 4.1 Parâmetros testados e pressupostos nos ensaios iniciais de lingotamento....................42
Tabela 4.2 Parâmetros de realização dos ensaios com velocidade e área útil aumentados............47
Tabela 4.3 Parâmetros de operacionais..........................................................................................52
Tabela 4.4 Parâmetros para produção dos lingotes utilizados na caracterização ..........................53
Tabela 4.5 Média de tamanho de grão e média de espaçamento dendrítico seguido da relação
TG/ED, caracterizados nas três regiões do lingote com refrigeração Primária RP........................70
Tabela 4.6 Média de tamanho de grão e média de espaçamento dendrítico seguido da relação
TG/ED, caracterizados nas três regiões do lingote com refrigeração Primária RPS......................71
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Listas de abreviaturas e siglas
Siglas
ASM – American Society for Metals
ASTM - American Society for Testing and Materials
CAFE- Corporate Average Fuel Economy
CEMEF- Centre de Mise em Forme de Materiaux
CLA – Center Line Average
ED – Espaçamento dendrítico
EMS – Electromagnetic Stirring
EUA – Estados Unidos da América
GCC – Gulf Cooperation Council
MIT – Massachusetts Institute of Technology
Ra – Rugosidade Média
RP – Refrigeração Primária
RPS – Refrigeração Primária mais Secundária
SSM - Metalurgia Semissólida
TG – Tamanho de grão
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas
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Sumário
1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................................1
1.1 Objetivos....................................................................................................................................3
1.2 Justificativa.................................................................................................................................4
2.0 REVISÃO DA LITERATURA..................................................................................................5
2.1 Ligas de AL-Si............................................................................................................................5
2.2 Solidificação...............................................................................................................................7
2.3 Processos de obtenção de matéria-prima para tixoconformação...............................................9
2.3.1 Lingotamento contínuo com agitação eletromagnética.........................................................10
2.3.2 Outros processos de obtenção de matéria-prima tixoconformável.......................................14
2.4 Caracterização morfológica da matéria-prima..........................................................................16
2.5 Mecanismos de obtenção de estruturas não dendríticas para tixofundição..............................19
3. MATERIAIS E MÉTODOS.......................................................................................................23
3.1. Matéria-prima utilizada nos ensaios........................................................................................25
3.2 Análise de acabamento superficial da cavidade do molde.......................................................27
3.3 Montagem provisória e testes preliminares..............................................................................28
3.4 Análise de campo magnético....................................................................................................30
3.5 Projeto, fabricação do molde definitivo e montagem do sistema de lingotamento
contínuo..........................................................................................................................................32
3.6 Caracterização microestrutural.................................................................................................39
xxvi
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES...............................................................................................41
4.1 Determinação da temperatura de vazamento, velocidade de arraste e acabamento superficial
da cavidade da matriz.....................................................................................................................41
4.2 Obtenção dos lingotes para caracterização...............................................................................53
4.3 Análise metalográfica...............................................................................................................54
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS........................................77
REFERÊNCIAS.............................................................................................................................80
APÊNDICE A- PERFIS DE RUGOSIDADE ENSAIDOS...........................................................87
ANEXO A – RUGOSIDADE SUPERFICIAL......................................................................88
1
1 INTRODUÇÃO
O processo SSM (Semisolid Materials Processing), processamento de materiais no estado
semissólido, teve origem na década de 70, no MIT (Massachusetts Institute of Technology), com
a pesquisa do comportamento viscoso de uma liga Sn-wt15%Pb, publicado em 1972, por
Spencer, Mehrabian e Flemings.
O propósito inicial foi pesquisar a formação de trincas de solidificação de peças com
grande diferença de seção transversal por meio da análise da tensão de cisalhamento no metal
líquido em processo de solidificação. Na ocorrência dos testes, observou-se que, ao invés das
trincas na região onde o metal em solidificação, sob ação do movimento cisalhante, apresentava
um comportamento de escoamento de baixa viscosidade devido à microestrutura globular,
apresentada após análise metalográfica.
Após estudo realizado sobre a descoberta desse comportamento viscoso e mudança da
microestrutura no metal, constatou-se que as pesquisas foram incessantes em várias universidades
e centros de pesquisa ao redor do mundo, como por exemplo, nos EUA universidade de Illinois,
na Inglaterra universidade Sheffield e Sussex e no Brasil a Universidade Estadual de Campinas
(UNICAMP). Além disso, elas produziram inúmeros artigos científicos em conferências
internacionais; como por exemplo, (PAES et al., 2000), (TORRES et al., 2014) sendo a primeira
ocorrida em 1990 na França, CEMEF – Sophia-Antipolis, e a última em 2014 em Omã, na Ásia.
A força motriz para esses estudos e acontecimentos foi a aplicação industrial, em inúmeros
setores da indústria, merecendo destaque para a indústria automotiva, com tendência das
montadoras para a contínua redução de peso, por meio da substituição do ferro fundido e de aço
na fabricação de componentes por ligas mais leves, como as ligas de fundição de alumínio e
magnésio (CHIARMETTA, 1996).
Consequentemente, a utilização do alumínio em automóveis continua a crescer em todo o
mundo. No entanto, o que impulsiona a crescente redução de peso em automóveis difere em
diferentes partes do mundo. Nos EUA, uso do alumínio é impulsionado por um padrão
governamental denominado CAFE, a fixação de metas de consumo, como milhas por galão, para
2
as frotas de automóveis produzidas. Na Europa, o desempenho do automóvel é mais importante e
maior ênfase é dada sobre a reciclagem, inclusive em questões ambientais. Consequentemente, a
redução de peso é impulsionada por melhorias no desempenho (3 litros de gasolina por 100 km).
No Japão, as aplicações automotivas são semelhantes tais como: ar condicionado, direção
hidráulica e sistemas de freios antibloqueio. Além disso, as ligas fundidas de alumínio estão se
tornando cada vez mais comum e são cada vez mais utilizadas para manter o peso do automóvel
quando opções mais pesadas são adicionadas.
Desde os anos 90, as montadoras de automóveis têm utilizado o alumínio em processos de
fundição sob pressão com maior impacto nos custos. Agora as montadoras estão focando numa
maior especificação e desempenho funcional dos componentes produzidos, como sistemas de
transmissão, suspensão e componentes que requeiram estanqueidade sob pressão. Para produzir
esses componentes, as montadoras estão concentrando na produção de seus componentes dentro
da condição Near-net-shape, componentes de alumínio com espessuras menores, combinando
excelente desempenho funcional e mecânico, com menor custo de processamento. O processo de
tixoconformação tem se mostrado capaz de atender estas solicitações (EISEN, 1998). A
implementação futura da tixofundição em série industrial e do alto grau de produção de
componentes depende especialmente da qualidade e da eficiência da produção da matéria-prima
(MULLER-SPATTH et al., 1996).
A tixoconformação, conformação no estado semissólido, é um processo que utiliza matéria-
prima com propriedades tixotrópicas para obtenção de seus produtos. Os requisitos mais
importantes de uma liga metálica quanto à tixotropia são a presença de duas fases distintas: uma
líquida e uma sólida, em proporções facilmente controláveis a uma dada faixa de temperatura e o
menor tamanho de grão da fase primária possível (remanescente sólido), a liga A356 (Al-
7wt%Si-0.4wt%Mg), apresenta esta característica inicial, ou seja, cerca de 50% de fase alfa e
50% de fase eutética. Porém, sua microestrutura é geralmente constituída de grãos grosseiros
formados por dendritas grosseiras da fase alfa e a fase secundária, eutética, depositada junto aos
contornos interdendríticos. Desenvolver metodologias simples de refino desta estrutura é
fundamental para a plena utilização desta tecnologia, já que o mecanismo de refino de grãos com
agente refinador é insuficiente para este intento. Entre os processos de obtenção de matéria-prima
para tixoconformação destacam-se os que utilizam agitação eletromagnética, EMS
3
(Electromagnetic Stirring), que consiste na utilização de agitação eletromagnética no metal em
solidificação.
Desta forma, com a utilização de EMS, pretende-se a obtenção de uma matéria-prima
tixoconformável, detentora de grãos primários equiaxiais de tamanho reduzido - cerca de 70 a
100 mícrons – rodeados por um “filme líquido” eutético de baixa temperatura de fusão (se
comparada às temperaturas utilizadas nos processos de fundição tradicionais). Assim, consegue-
se uma pasta com baixa viscosidade (indispensável para que a cavidade do molde seja bem
preenchida), mesmo com uma alta fração sólida (PRONI, 2010).
Segundo Robert (1989) e (1993) os mecanismos de coalescência, em altas frações sólidas,
serão preponderantes envolvendo aglomeração e aproximação dos ramos secundários. O
engrossamento dos braços dendríticos poderão envolver partes do soluto que não foi carregado,
prendendo-o, ou retendo também uma porção do eutético “poça retida”. A baixa viscosidade e a
pouca ou nenhuma presença da poça retida, constituem importantes características para uma pasta
tixoconformável.
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo o projeto e montagem de um sistema de lingotamento
contínuo para ligas de alumínio silício sob influência de agitação eletromagnética, para obtenção
de estrutura refinada de grãos e posterior utilização em processos de tixoconformação. O
processo de obtenção será analisado por meio do estabelecimento de parâmetros de
processamento para obtenção da matéria-prima tixoconformável, visando aperfeiçoar a sua
produção. Os lingotes produzidos serão obtidos sob duas distintas formas de refrigeração, RP
(refrigeração primária) e RPS (refrigeração primária mais secundária). A qualidade da matéria-
prima após a obtenção será analisada e caracterizada por meio de análise micrográfica por
métodos relatados na literatura os quais serão relatados no capítulo MATERIAIS E MÉTODOS.
4
1.2 Justificativa
A partir de 1998 o laboratório de fundição da Faculdade de Engenharia Mecânica da
UNICAMP começou a investir na infraestrutura básica, necessária para o desenvolvimento de um
sistema de obtenção de pastas em escala piloto. Esse procedimento deu origem inicialmente a um
sistema de lingotamento semicontínuo de pastas reofundidas (ZOQUI, 2001).
Desde então, o grupo de fundição e tixoconformação dessa Faculdade tem estudado a
fabricação de ligas de alumínio-silício, via lingotamento sob agitação eletromagnética e montou,
a partir destas ligas, um protocolo de avaliação de tixoconformabilidade. O método de
caracterização envolve evolução morfológica de ligas no estado semissólido, assim como a
caracterização do comportamento viscoso, via ensaio de compressão a quente (ZOQUI, 2002) e
(PAES, 2004).
Os trabalhos realizados com as ligas A356 por (PAES, 2000); AA7075 e AA7004
(TORRES, 2009); AA2011 e AA2014 (PRONI, 2010), Al-4wt%Si-5wt%Zn, Al-5wt%Si-
5wt%Zn e Al-5wt%Si-6wt%Zn (VILAS BÔAS, 2012), Al-Xwt%Si-5wt%Zn (PERES, 2012)
utilizaram um equipamento que permitia a produção semicontínua ou estanque na obtenção de
lingotes, o que possibilitou a obtenção de matéria-prima com as características necessárias para o
processo de tixoconformação .
Considerando o exposto acima, esta dissertação faz parte de um projeto que visa à
otimização de obtenção de matéria-prima para processamento no estado semissólido, por meio do
projeto e montagem de um equipamento de lingotamento contínuo sob a influência da agitação
eletromagnética. A liga utilizada nesta dissertação foi uma liga comercial a A 356 e a produção
dos lingotes se deu pelo equipamento de lingotamento contínuo descrito acima, cujos aspectos
construtivos e de montagem foram mostrados no capítulo MATERIAIS E MÉTODOS desta
dissertação. Este projeto visa à otimização do processo de produção dos lingotes e potencial
utilização do equipamento com outras ligas de alumínio em trabalhos futuros.
5
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Ligas de Al-Si
Todo o grupo das ligas de alumínio-silício apresenta excelentes características para o
processo de fundição, como soldabilidade, estanqueidade e resistência à corrosão. Essas ligas,
quando tratadas termicamente, combinam resistência à tração e excelentes propriedades físicas,
as quais são atrativas para muitas aplicações, incluindo componentes automotivos e aeronáuticos.
As ligas A356 e A357 estão entre as mais utilizadas em processos de fundição em molde de areia
e molde permanente para especificações aeronáuticas e militares, devido ao alto grau de
qualidade obtidos em seus componentes (HATCH, 1984).
A transformação invariante eutética do sistema Al-Si ocorre a uma temperatura de 577 ºC a
uma concentração de 12,6% de silício, sendo a solubilidade sólida do silício na matriz de
alumínio de 1,65% na temperatura eutética figura 2.1. A importância comercial das ligas de
alumínio-silício concentra-se na alta fluidez e baixo coeficiente de contração no processo
fundição, brasagem, e boa soldabilidade, o que confere ao alumínio ampla gama de aplicações em
vários processos. As partículas duras de silício conferem ao alumínio boa resistência ao desgaste
(HATCH, 1984).
A capacidade de um metal fundido continuar a fluir, mesmo perdendo temperatura e com o
processo de solidificação em andamento, é uma importante característica do processo de
fundição. Para avaliação dessa característica, um conceito quantitativo foi desenvolvido e
denominado máxima distância de fluidez ou simplesmente fluidez (CAMPBELL, 1993).
6
Tem
per
atu
ra e
m °
C
Porcentagem em peso de silício
Figura 2.1- Diagrama de fases do sistema Al-Si. Adaptado de ASM INTERNATIONAL (1996).
Alguns fatores metalúrgicos são inerentes ao processo de fundição e influenciam na fluidez
das ligas. Eles incluem superaquecimento, composição química, modo de solidificação, calor
latente de fusão, tensão superficial e presença de óxidos na forma de inclusões ou em suspensão
no metal líquido. O superaquecimento afeta a viscosidade, de forma que, quanto maior o
superaquecimento, os valores de viscosidade diminuem e, por consequência, a fluidez é elevada.
O superaquecimento também afeta a taxa de resfriamento, características de solidificação do
metal e consequentemente a fluidez do metal líquido. A tensão superficial é um efeito que ocorre
na camada superficial do metal líquido e faz com que a superfície se comporte como uma
membrana elástica. Os átomos situados no interior do líquido são atraídos em todas as direções
pelos átomos vizinhos e, por isso, a resultante das forças atuantes é praticamente nula. Os átomos
da superfície do líquido, entretanto, sofrem apenas atração lateral e inferior esta força para o lado;
e para baixo, cria a tensão na superfície. A contrapressão resultante da tensão superficial aumenta
577 ± 1°C
12,6
660,45 °C
7
em seções finas. Alguns elementos como; Li, Bi, Pb, Mg, Sb, Ca e Sn, reduzem
significativamente a tensão superficial no alumínio fundido. Contudo, o efeito da tensão
superficial é ocultado pela influência dos filmes de óxido superficiais nas ligas de alumínio.
Filmes de óxidos são partículas sólidas existentes à temperatura de vazamento e podem aumentar
significativamente a tensão superficial e reduzir a capacidade do metal preencher detalhes mais
finos (RAVI et al., 2007).
2.2 Solidificação
Após a escolha da liga e definição de sua composição química, a obtenção da matéria-
prima tixoconformável será determinada não só pelo processamento, como também pela
dinâmica de solidificação que ditará a microestrutura final.
Segundo Garcia (2007), a temperatura de vazamento do metal líquido surge como primeira
variável de influência juntamente com a intensidade das correntes convectivas durante o
preenchimento do molde. O molde, por sua vez, além de conferir forma à peça, atuará como
absorvedor de calor responsável pela extração de calor do metal, garantindo a transformação do
líquido em sólido. Dependendo da capacidade de absorção de calor pelo molde, o processo
desenvolver-se-á com maior ou menor rapidez com influência direta nas taxas de resfriamento. A
termodinâmica do processo irá impor uma rejeição de soluto ou de solvente que dependerá da
posição relativa da liga no respectivo diagrama de fases e que terá, como consequência, um
movimento de espécies associado à transferência de calor. Essa conjunção de transferência de
massa e calor irá impor condições que determinarão a morfologia de crescimento e,
consequentemente, o arranjo microestrutural.
No início da solidificação, para que ocorra a formação de embriões e sítios de nucleação, a
energia livre total do sistema tem que diminuir; isso ocorre submetido a uma competição da
termodinâmica versus a morfologia. A termodinâmica impõe um crescimento esférico do
8
embrião uma vez que esta forma geométrica é a mais indicada energeticamente para
sobrevivência do embrião, por apresentar a menor relação superfície/volume. Nesta disputa a
morfologia predomina.
Devido à estrutura cristalina dos metais, estes apresentam um crescimento prioritário em
certas direções definidas da rede (CFC e CCC, por exemplo, apresentam crescimento nas
direções<100>). Assim, a direção cristalográfica preferencial do componente principal da liga
começa a exercer um efeito mandatório, e o desenvolvimento da fase primária ocorre de forma
regular, principalmente na direção perpendicular a extração de calor. Contudo, conforme a
estrutura se alonga, a seção transversal dela também se desenvolve simultaneamente nas outras
direções cristalográficas, criando ramificações laterais, apresentando assim uma forma de cruz: as
dendritas. À medida que a velocidade de crescimento é aumentada ainda mais (devido à taxa de
resfriamento imposta pela diferença de temperatura entre a pasta e o molde), as ramificações
secundárias e terciárias encorpam, dando origem à estrutura uma aparência de “árvore”. A ponta
da dendrita está na temperatura “liquidus” e a base dela na temperatura “sólidus”. A partir deste
ponto, a dinâmica do processo irá impor a segregação do soluto (quantidade que dependerá da
composição da liga no seu diagrama de fase), determinando a preponderância do crescimento dos
grãos, portanto, determinando a morfologia do material em solidificação. Se houver um
resfriamento rápido da pasta nas paredes do molde (molde muito frio ou refrigerado), e/ou na
superfície livre liquefeita, ocorrerá a nucleação de pequenos grãos com direções aleatórias. O
tamanho dessa zona coquilhada dependerá das propriedades termo físicas do molde, do
coeficiente de transferência de calor metal/molde e da temperatura de vazamento. Mas, se houver
um pré-aquecimento do molde, esta zona coquilhada pode ser insignificante ou, com uma
temperatura de vazamento muito alta, poderá ocorrer a refusão de grande parte destes cristais
aleatórios nucleados. Conforme se dá ou não a zona coquilhada, os grãos que não tiverem sua
direção favoravelmente à retirada do calor, terão seu crescimento bloqueado, dando origem a
cristais “paralelos”, compondo a chamada zona colunar. Esta região é tão maior quanto menor for
o gradiente de temperatura entre a pasta e o molde. A partir de certo ponto, por razões várias,
como forças exercidas pelas correntes convectivas e/ou movimentos na pasta impostos por meios
externos, agitação mecânica ou eletromagnética, inicia-se a quebra mecânica das pontas das
dendritas da região colunar e o desprendimento das ramificações secundárias e terciárias. Essas
9
pequenas construções cristalinas são carregadas pelo fluxo do metal e se tornam novos núcleos,
junto aos núcleos que foram gerados na superfície da pasta e precipitaram, passando a se
desenvolver nas regiões adjacentes como dendritas equiaxiais. Por terem, provavelmente,
orientações cristalinas diferentes, acabam por bloquear a formação colunar. Se esta outra região
já estiver numa temperatura suficientemente baixa, estes novos núcleos terão uma chance maior
de sobrevivência sem se refundirem (PRONI , 2010).
2.3 Processos de obtenção de matéria-prima para tixoconformação
Os processos de obtenção de matéria-prima para tixoconformação podem ser divididos em
dois grupos: processamento durante a solidificação e processamento após a solidificação- FPC-
(fusão parcial controlada). Em ambos os grupos, os processos visam à modificação da morfologia
da microestrutura em formação ou já formada de dendrítica para globular, porém os mecanismos
de modificação estrutural são distintos (FLEMINGS, 1991).
Ainda, entre o grupo de processamento durante a solidificação pode-se subdividi-los em
processos que interferem no crescimento e processos que interferem na nucleação do grão.
Dentre os processos que interferem no crescimento do grão podemos citar: Agitação mecânica
viscosímetro de Spencer (SPENCER et al., 1972), reator com rotor de Mehrabian
(MEHRABIAN, FLEMINGS, 1975), reator com propulsor de Prasad (PRASAD, 1982), agitação
eletromagnética, Gircast (COLLOT, 1990), Processo SCR (KIUCHI, SUGIYAMA, 1992),
Passive Stirring (FIORINI et al., 1993), SSP (Single Slug Production) (MULLER-SPATH et al.,
1996) e MDTRC (Melt Drag Twin Roll Caster) (HAGA, 2000) e suas variações. Segue uma
descrição dos principais processos de obtenção de matéria-prima para thixoconformação, de
forma que os processos descritos acima acompanham suas devidas referências. Dentre os
processos abordados, será dada maior ênfase e detalhamento ao processo de lingotamento
contínuo com agitação eletromagnética por constituir parte da essência do presente trabalho.
10
2.3.1 Lingotamento contínuo com agitação eletromagnética
Segundo Garcia (2007), processo de lingotamento contínuo consiste na obtenção de
tarugos, lingotes, chapas de metais primários ferrosos e não ferrosos, bem como produção de
lingotes para serem posteriormente processados em processos de transformação, como extrusão,
laminação, etc. A produção dos lingotes ocorre por meio de vazamento do metal líquido dentro
do molde por meio de um cadinho que alimenta a cavidade do molde e atribui a geometria ao
lingote. A solidificação do metal vertido ocorre primariamente dentro do molde dando origem a
uma casca que deve ser suficientemente espessa para que obtenha resistência mecânica a fim de
suportar a pressão do metal líquido e as tensões provenientes do arraste do lingote. Após a
solidificação primária, o lingote abandona a superfície da cavidade do molde e etapas posteriores
de refrigeração passam a atuar. Essas etapas podem ser um sistema dotado de chuveiros para
refrigeração secundária e seguido de resfriamento ao ar livre, refrigeração terciária. O processo
de lingotamento contínuo pode ser considerado essencialmente como um processo de
transferência de calor, no qual o metal líquido é transformado via solidificação em um produto
acabado. O material líquido, ao ser vazado, entra em contato com as paredes internas do molde e,
nessa fronteira metal/molde, existirá uma resistência térmica de contato. Essa resistência é
decorrente de vários fatores: a afinidade físico-química entre o material do molde e o material a
ser solidificado não ser perfeita e como consequência o molhamento da parede interna do molde
pelo líquido não é completa. A rugosidade interna do molde, conferida pela usinagem de
acabamento, gera uma microgeometria superficial, figura 2.2, que propicia o surgimento de
poucos pontos de contato intercalados por regiões de separação física material/molde. A
utilização de lubrificantes para facilitar a desmoldagem provoca a formação de uma película de
separação entre o material e o molde. Após certa camada solidificada, a contração de
solidificação (para metais que se contraem na passagem de líquida a sólido) provoca um aumento
na separação física entre o material sólido e o molde, além de outros fatores de influência. Nessas
condições, a transferência de calor na junção material/molde se dá por condução pelos pontos de
contato e por meio dos gases aprisionados pelos espaços criados, inclusive por convecção e
radiação entre as duas superfícies separadas, figura 2.2.
11
As principais vantagens do processo de lingotamento contínuo são o aumento substancial
na produção, um produto mais uniforme, economia de energia e maior produtividade com a mão
de obra. Essas vantagens e a facilidade de integração nos sistemas de produção dos metais
levaram a uma grande aplicação do processo de lingotamento contínuo (Pehlke, 1988).
METAL MOLDE
INTERFACE REAL
2.2 - Modos de transferência de calor atuantes na interface metal/molde: K–condução;
C-convecção; e R- radiação. Adaptado de (GARCIA, 2007).
Já em 1956, K.E Mann e E. Riepert estudaram o uso de agitação eletromagnética em
sistemas de lingotamento contínuo para produção de lingotes redondos de alumínio. Uma bobina
indutora é colocada acima do molde, gerando agitação no banho em solidificação e resultando
num perfil de superfície mais plano. Foi demonstrado que o metal utilizado na fundição não só
12
exibiu uma estrutura mais refinada de grãos, mas também mostrou menos trincas em lingotes
com 300 mm de diâmetro em várias ligas de alumínio (ZILLGEN e HIRT, 1996).
A agitação é promovida no líquido em solidificação pela ação de fortes campos
eletromagnéticos. As correntes induzidas pelo campo promovem uma forte agitação, rompendo
estrutura em formação e estimulando a multiplicação cristalina e sua crescente globularização. Os
equipamentos para agitação eletromagnética podem operar de forma estanque ou contínua. O
metal inicia a solidificação com estrutura dendrítica, que é rompida pela ação da turbulência
gerada no líquido. O campo magnético é mantido em toda a zona de solidificação, impedindo o
crescimento dendrítico. Apesar de uma aparente facilidade operacional, o método é limitado pelo
fato de processar pequenas quantidades de material devido à dificuldade de penetração do campo
magnético através da massa metálica. Além disso, o campo magnético não é uniforme através da
seção da peça, ou seja, ele é máximo na superfície e mínimo no centro, ocorrendo uma agitação
mais intensa junto à parede do molde (ZOQUI, 2001).
A agitação eletromagnética (electromagnetic stirring – EMS) utiliza o fenômeno de
corrente induzida que gera um fluxo metálico quando um campo magnético rotativo é formado
no metal líquido. A força de Lorentz movimenta o banho na direção do campo magnético
formado, resultado da interação entre a corrente induzida e o campo magnético:
Equação 2.1
Onde F é a força de Lorents, J é a densidade de corrente e B é a intensidade do campo
magnético.
A agitação eletromagnética, já nos anos 90, era um método que passava por uma fase de
coexistência no lingotamento contínuo de alumínio, devido a aplicações no contexto da
tixoconformação, que necessita de uma matéria-prima com estrutura globular e manufaturada a
baixa custo. A agitação eletromagnética (Electromanetic stirring) pode ser chamada também
magnetohidrodinamics e pode ser utilizada em sistemas horizontais e verticais de lingotamento
13
contínuo (ZILLGEN e HIRT, 1996). A figura 2.3 apresenta os diferentes tipos de campo
eletromagnético que podem ser utilizados para promover a agitação no material em solidificação.
a)
b)
c)
Figura 2.3 - Formas de campo eletromagnético para produção da matéria-prima para
thixofundição: a) Fluxo magnético paralelo ao eixo de lingotamento, b) fluxo magnético em volta
do eixo de lingotamento e c) uma mistura dos dois anteriormente citados (NIERDERMAIER et
al., 1998) .
Os benefícios de se utilizar a agitação eletromagnética em comparação com outras formas
de processamento de matéria-prima para a tixofundição são muitos, principalmente por não haver
possibilidades de contaminação pelo contato físico entre o agitador e o metal, pelo baixo
consumo de energia elétrica, pela facilidade de ajustar a taxa de resfriamento e por permitir a
fundição contínua e direta de formas variadas. As principais desvantagens, novamente, são a
queda das forças eletromagnéticas da periferia para o centro, dificultando a fabricação de lingotes
de diâmetros maiores e a presença de zonas de estagnação. Essas zonas limitam a utilização do
processo para altas frações sólidas, uma vez que seriam necessários enormes campos magnéticos
para a agitação do metal em solidificação (FELTRIN, 2004).
14
2.3.2 Outros processos de obtenção de matéria-prima tixoconformável
a) Processo Ahresty
A nucleação de novos grãos é obtida neste processo pelo contato do metal líquido com uma
placa inclinada a qual é refrigerada, onde o metal em solidificação troca calor. O metal flui por
essa placa, trocando calor e gerando novos núcleos. A presença de soluto contribui para o
processo, fazendo com que ocorra empescoçamento dos grãos formados e seu posterior
arrancamento da superfície da placa por ação do fluxo de líquido, desta forma gerando uma pasta
com grãos refinados que é imediatamente refrigerada num processo de lingotamento. (SHIBATA,
1998).
b) Ultra refino de grão.
O refino de estruturas de alumínio pode ser obtido, na prática, pela adição de elementos que
atuem como substratos de nucleação heterogênea, isto é, sobre os quais, preferencialmente,
ocorre a formação do sólido, ou ainda pela adição de elementos que deem origem, via reações
químicas com o líquido, aos substratos de nucleação (LOURENÇATO, 2008).
Para que o agente nucleante atue efetivamente no processo de nucleação, deve haver uma
afinidade entre esses agentes e a partícula da nova fase que se forma. Essa afinidade, está
grandemente relacionada com o ângulo de contato (SANTOS, 2006).
Dentre os elementos químicos mais utilizados para proporcionar o refinamento de grão, o
titânio é tido como principal elemento refinador de grão, sendo adicionado só ou em conjunto
com o elemento boro. Um grande volume de trabalhos evidencia o relacionamento do efeito das
ligas mãe Al-Ti e Al-Ti-B sobre o refinamento de grão. Quando as ligas-mãe são adicionadas ao
metal de alumínio, a matriz de alumínio dissolve-se e liberta partículas intermetálicas dentro do
metal (MCCARTNEY, 1989).
15
c) Refino de grão por ultrassom.
A pesquisa com vibrações ultrassônicas em aplicações metalúrgicas podem ser datadas
antes de 1878 quando Chernov propôs a idéia original de aprimorar a qualidade de metais
fundidos por meio de oscilações elásticas (ESKIN, 1998).
Muitos estudos mostram claramente sob quais condições estes efeitos de refinamento de
grãos sob ondas ultrassônicas podem ser obtidos. Vários mecanismos podem ser responsáveis
pelo refinamento de grãos, como por exemplo, a quebra dos braços dendríticos, cada fragmento
age nucleando um novo grão, a cavitação que pode promover germinação de novos grãos
(GABATUHULER, 1992).
Esses mecanismos estão relacionados a cavitações induzidas ultrassonicamente, que
produzem alta pressão instantânea, flutuação de temperatura no metal fundido. Essa flutuação de
pressão e temperatura é possível para induzir nucleação heterogênea no metal fundido. Tais
mecanismos também são susceptíveis para promover fragmentação dendrítica, aumentando
difusão do soluto através do fluxo acústico. No entanto, existem convincentes evidências na
literatura sobre qual mecanismo, nucleação heterogênea ou fragmentação é mais importante para
o refinamento de grão sob vibrações ultrassônicas (JIANA, X. et al., 2005). A figura 2.4, indica
uma representação do conjunto utilizado.
16
Figura 2.4 – Diagrama de tratamento ultrassônico em molde de lingotamento contínuo para ligas
leves. 1)Gerador de ultrassom, 2)Transdutor , 3) Molde, 4)lingote , 5) forno de espera.
(DOBATKIN e ESKIN, 1996).
2.4 Caracterização morfológica da matéria-prima
O material no estado semissólido se comporta como um líquido viscoso e essa viscosidade
inicial é maior do que no metal líquido devido à existência de grãos sólidos dispersos dentro dele.
A viscosidade no metal semissólido é influenciada pelo número e tamanho dos grãos sólidos
dispersos, os quais serão determinados pela taxa de resfriamento e cisalhamento associados
durante a agitação. Os grãos tornam-se menores à medida que a taxa de cisalhamento aumenta
durante a agitação e, por fim, os grãos crescem durante a agitação. Portanto, o controle da
temperatura e da velocidade de refrigeração é importante para conferir ao metal semissólido,
através do tamanho dos grãos sólidos, uma apropriada viscosidade. A importância da baixa
viscosidade a altas frações sólidas no estado semissólido são condições que juntas irão garantir
17
boa processabilidade ao material. A baixa viscosidade é necessária para que o material obtenha
boa fluidez no preenchimento das cavidades das matrizes, enquanto que a fração sólida irá
prevenir vários defeitos e obtenção de uma estrutura interna fina, garantindo excelente qualidade
dos produtos tixoconformados (KIUCHI e KOOP, 2002).
A caracterização plena da estrutura é de fundamental importância uma vez que a
morfologia da fase primária influenciará no comportamento em termos de viscosidade e de
conformabilidade desta pasta (NIROUMAND e XIA, 2000) (LEHUY, 1988) (LI et al., 1997).
Na grande maioria das vezes, a caracterização dos materiais é feita tirando-se fotografias de
uma amostra por meio de um microscópio ótico e analisando-as, de maneira a se obter, por meio
de diversas técnicas, informações sobre a microestrutura do material. Porém, uma microestrutura
não deve ser entendida apenas ao se observar uma foto bidimensional, pois pode-se incorrer em
dois erros básicos. O primeiro deles se refere ao fato de que um grão (representado por aquela
seção transversal, ambos poderão estar interconectados em outros níveis; o segundo equívoco se
refere à observação verdadeira da existência ou não de porosidades, já que o polimento prévio
poderá arrancar partículas mais duras, ou mesmo preencher lacunas, se o material for muito mole.
Em ambos os casos, tanto se pode ter maiores dificuldades para o tixoprocessamento (uma vez
que uma rede de grãos conectados e /ou grãos não exatamente esferiodizados, exigirá uma força
de tixoconformação superior à que se esperava), como as propriedades mecânicas do material
poderão ser inferiores, devido a erros na caracterização das falhas microestruturais. Para se
contornar parte destes problemas, podem-se fazer fotografias em microscópios óticos que
possuam luz polarizada a se observar a superfície de uma amostra polida até 1 µm que teve sua
superfície tratada por oxidação anódica, ataque eletrolítico. A amostra é o anodo, no qual
contornos de grão são atacados e a superfície dos grãos é recoberta por uma camada de óxido.
Quando a amostra é observada sob luz polarizada, revela-se a estrutura dos grãos e sua orientação
cristalográfica por meio de diferentes cores, pois oriunda de diferentes difrações da luz. Numa
análise deste tipo de fotografia, assume-se que grãos de mesma tonalidade pertençam à mesma
estrutura e os de mesma tonalidade, porém não adjacentes, não estejam interconectados ( PRONI,
2010).
18
Nota-se que nas fotografias realizadas com luz polarizada, figura 2.5-a, os grãos são bem
maiores do que nas fotografias em branco e preto, onde os grãos aparentam ser minúsculos,
figura 2.5-b.
a
b
Figura 2.5 - Fotografias de uma amostra de A356.
Para compreensão dessas interconexões, algumas técnicas foram desenvolvidas por alguns
pesquisadores. Tal técnica consistia na realização de polimento e foto sucessivamente, para
posteriormente posicioná-las num software de CAD e renderizá-las. Ito e Flemings, 1992,
realizaram esse procedimento a cada 40 µm com uma liga de Al-Si. Niroumand, 2000, realizou a
cada 20 µm com uma liga de Al-Cu, a figura 2.6 mostra o sólido 3D gerado num software de
autoCAD, indicando a complexidade de uma estrutura com aglomerações e interconexões entre
as “pseudo partículas” como um único grão.
19
Figura 2.6 – Sólido gerado pelo autoCAD, ilustrando a complexidade da estrutura
(NIROUMAND, 2000).
2.5 Mecanismos de obtenção de estruturas não dendríticas para tixofundição
Os processos que interferem no crescimento agem no líquido em solidificação de maneira a
inibir ou a suprimir o crescimento dendrítico através de uma grande agitação que gera a ruptura
da microestrutura já formada e sua globularização por mecanismos de redução de energia
superficial (FLEMINGS, 1991).
O material é ligeiramente resfriado para que ocorra solidificação da fase líquida, e
consequentemente, para que quando reaquecido, reassuma as propriedades da pasta tixotrópica.
Esse fenômeno pode ser amplificado pela turbulência gerada no líquido pela convecção térmica,
pela tensão imposta ao braço dendríticos devido aos possíveis dobramentos causados pela
turbulência no líquido ou ainda por uma maior concentração de soluto na raiz dos braços
dendríticos iniciais.
Ao solidificar, o material tem seu crescimento dendrítico suprimido por movimentos
impostos por (agitação mecânica ou eletromagnética, por exemplo). Inicia-se a quebra mecânica
20
das pontas das dendritas da região colunar e o desprendimento das ramificações secundárias e
terciárias. Essas dendritas são carregadas pelo fluxo do metal e se tornam novos núcleos de
solidificação.
Esta quebra mecânica dos braços dendríticos da região colunar, pelo intenso fluxo de
liquido, acontece também devido a vários fatores:
segregação do soluto e seu acúmulo na base da dendrita fazendo com que esta se
dissolva e destaque da dendrita original (fenômeno de empescoçamento);
pela força do fluxo que cria tensão na base da dendrita, facilitando o posterior
destacamento;
porque a força do fluxo retira a dendrita da direção preferencial de crescimento
(direção de extração de calor), facilitando a sua fragilização e quebra (Flemings,
1991).
Outro meio da dendrita principal e seus braços serem alterados é pelos “fenômenos de
engrossamento”. O mecanismo de engrossamento envolve transferência de massa de superfícies
com raio menor de curvatura para outras com raios maiores de curvatura, portanto, tendendo a
tornar as superfícies curvas em planas.
Existem dois mecanismos de engrossamento: Otswald ripening e coalescência, que
ocorrem quando o material é reaquecido ao estado semissólido.
O mecanismo de engrossamento por Otswald ripening consiste na dissolução de ramos
menores, incorporação de soluto nos ramos maiores, tendo como consequência uma diminuição
no número de ramos dendríticos e o aumento da distância entre eles, conforme pode ser visto nos
modelos propostos por Kattamis e Flemings (KATTAMIS et al., 1967) e Kahlweit (KAHLWEIT,
1968), apresentados na figura 2.7. Na realidade as três possibilidades podem ocorrer ao mesmo
tempo, dependendo da região e das condições (MARSH, 1997).
21
Figura 2.7 - Mecanismos de engrossamento dendrítico de Otswald ripening: (a) e (b) Kattamis e
Flemings (KATTAMIS, COUGHIN e FLEMINGS, 1967); (c) Kahlweit (KAHLWEIT, 1968).
O mecanismo de coalescência foi demonstrado por dois modelos; um proposto por
Kirkwood (KIRKWOOD, 1994) e Young (YOUNG, 1992) e outro por Genda (GENDA, 1987),
que envolvem aglomeração devido à aproximação de ramos dendríticos secundários bem como
a deposição de soluto em regiões com curvatura côncava; ou ainda a aproximação física das
superfícies e seu contato, conforme mostrado na figura 2.8. Ambos os modelos resultam na
supressão de superfícies de separação levando à união de dois ou mais braços dendríticos em um
só, de maior dimensão.
22
Figura 2.8 - Mecanismos de engrossamento dendrítico por coalescência : a) Kirkwood e Young
(YOUNG, 1992), (KIRKWOOD, 1994) e, b) Genda (GENDA, 1987).
Tanto o mecanismo de coalescência exposto por Kirkwood (1994) quanto o possível
mecanismo proposto por Genda (1987) são aceitos pela literatura. No entanto, o mecanismo
proposto por Genda tem apresentado maior aceitação, pois elucida a formação do “entrapped
liquid” apresentado por Flemings. Em todas as estruturas semissólidas pesquisadas até o
momento, a presença de uma quantidade de segunda fase (eutética ou não) na forma de
“entrapped liquid” foi reportada. A quantidade e morfologia variam de acordo com a liga e o
método de preparação do material, mas sua presença é uma constante (ZOQUI, 2001).
23
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A meta deste trabalho é o projeto e a montagem do sistema de lingotamento contínuo, bem
como a fixação de parâmetros de processamento para a obtenção de lingotes íntegros com
estrutura refinada de grãos.
O presente capítulo traz a descrição de todos os materiais envolvidos neste trabalho, assim
como o detalhamento das etapas desenvolvidas no projeto, incluindo a explicação de como foram
realizados os testes preliminares necessários para estabelecimento de alguns parâmetros
construtivos do molde a ser utilizado e sua montagem no sistema de lingotamento contínuo.
Com os lingotes da liga A356 no estado de fornecimento, foi realizada a análise de
composição química, primeira etapa do trabalho, para verificação da faixa de composição e
obtenção das temperaturas solidus e liquidus, através do software thermocalc®. Foi também
realizada a metalografia da matéria-prima em bruto.
A segunda etapa baseou-se na análise do estator que promoveria o campo magnético. Esta
análise verificou todas as possíveis formas de energização e o campo magnético gerado a partir
de 0 W até 3000 W que é a máxima potência oferecida pelo estator.
A terceira etapa consistiu na fabricação do molde teste, que seria parte da estrutura
necessária para realização da quarta etapa que foi a realização dos testes preliminares. Os testes
preliminares definiram tanto os parâmetros de processo quanto os parâmetros construtivos, que
foram: velocidade de lingotamento; temperatura de vazamento, altura de metal fundido dentro da
cavidade do molde.
Definidos os parâmetros construtivos e de processamento seguiu-se a quinta etapa que se
amoldou na fabricação do molde definitivo, ajustes finais e montagem do sistema completo. A
figura 3.1 representa todas as etapas desenvolvidas
24
Figura 3.1 - Fluxograma das etapas desenvolvidas no processo.
Projeto e montagem do sistema
Mapeamento do campo magnético e definição do estator
Fabricação do molde teste
Montagem do sistema e realização
de testes preliminares
Rugosidade
OK? Área útil
OK?
Temperatura
de vazamento
OK?
Velocidade de
lingotamento
OK?
Fabricação do molde definitivo, ajustes finais e
montagem do sistema.
Produção dos lingotes
0 W / 1500 W / 3000 W
RP Caracterização
microscópica
(Micrografias)
Análise dos resultados
0 W / 1500 W / 3000 W
RPS
Análise de composição química e metalográfica
25
Na sexta etapa foram produzidos e caracterizados os lingotes, nas condições de RP
(refrigeração primária) e RPS (refrigeração primária + secundária), variando-se ainda três
condições distintas: solidificação convencional 0 W, agitado a 1500 W e 3000 W.
Por fim a sétima etapa na qual foi realizada a análise dos resultados e proposta a discussão.
3.1. Matéria-prima utilizada nos ensaios.
A matéria-prima utilizada neste trabalho foi a A356 e a seguir nesta seção será apresentada
a análise da composição química, bem como uma análise metalográfica da matéria-prima como
recebida da INBRA1.
A análise da composição química da liga A356 utilizada em todos os vazamentos
ensaiados, foi realizada no equipamento espectrômetro de emissão ótica – BILL-OES. A
preparação do material a ser analisado consistiu em: corte em pequenos pedaços quadrados de 5
cm e 2 cm de espessura, posterior lixamento até a lixa de granulometria de 600 e limpeza com
ultrassom por um período de 3 minutos, para eliminação de qualquer impureza.
A composição química obtida após análise e sua comparação com a especificação em
norma estão expressas na tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Resultados obtidos da composição química
Liga Composição química (wt% peso)
Si Mg Fe Cu Mn Ti Al
A356 6,50- 7,50 0,25-0,45 ≤ 0,20 ≤ 0,20 ≤ 0,10 ≤ 0,20 balanço
Análise 6,70 0,40 0,19 0,08 0,01 0,005 balanço
1 INBRA indústria e comércio de metais.
26
Após a análise de composições foram realizadas micrografias do lingote em bruto
como recebido. As micrografias realizadas estão representadas na figura 3.2.
Ressalta-se que, em geral, a característica de viscosidade das ligas tixoconformáveis é
justificada pelo tamanho e pela interação entre as partículas da fase primária, que deve ser
constituída por grãos pequenos e os mais globulares possíveis. A explicação para esta
condição está na interação entre estas partículas que, quando submetidas a uma deformação
movem-se com mais facilidade, primeiro por serem globulares e segundo por estarem
envoltas em líquido eutético. O mesmo não ocorre com as partículas dendríticas que, ao
serem deformadas, exigem mais esforços, devido à interação entre seus ramos dendríticos.
Desta forma a matéria-prima, como recebida, impossibilita a tixoconformação, por conter
grãos dendríticos e com tamanho médio de 3 mm. Sendo assim, a matéria-prima, como
recebida, não atende as condições de tamanho e morfologia necessárias.
Figura 3.2 Micrografias obtidas da matéria-prima como recebida.
27
As micrografias apresentadas na figura 3.2, foram obtidas da região central do lingote
em bruto de forma aleatória.
3.2 Análise do acabamento superficial da cavidade do molde
Testaram-se três condições de acabamento superficial da cavidade do molde, utilizando
para este fim um rugosímetro portátil da marca Mahr, modelo Mahrsurf conforme indicado na
figura 3.3. A unidade utilizada foi o Ra. Adotou-se um cutoff 2,5 mm e o manteve durante todas
as medições. Cada medição foi realizada antes de cada ensaio e repetida em três posições
separadas a 120 º uma da outra. Os perfis de rugosidade obtidos estão apresentados no apêndice
A e os resultados obtidos nas medições estão representados na tabela 3.2.
Figura 3.3 –Rugosímetro utilizado para obtenção dos perfis de rugosidade.
28
Tabela 3.2 - Valores de rugosidade obtidos para realização dos ensaios
Ensaio Ra (µm)
1° 1,06
2° 0,178
3° 0,06
3.3 Montagem provisória e testes preliminares.
Para definição de parâmetros do projeto molde de lingotamento e processamento, foram
realizados alguns testes preliminares. Para tanto se utilizou um molde teste e realizou-se uma
montagem provisória para execução dos ensaios preliminares. A montagem provisória consistiu
em utilizar todos os componentes do sistema de lingotamento, exceto o estator para geração do
campo magnético. Tais ensaios foram decisivos para a definição de parâmetros da altura útil de
metal fundido na cavidade do molde de lingotamento (área de solidificação), velocidade de
lingotamento, temperatura de vazamento e acabamento superficial da cavidade do molde
(rugosidade). A montagem provisória realizada para os testes preliminares está representada na
figura 3.4, e é composta por:
um elevador elétrico, de uso automotivo, tendo capacidade de até 2500 kg de carga.
A escolha deste equipamento fundamenta-se por já existir padronizado no mercado
e atender as solicitações mecânicas e o parâmetro de altura, 2,50 metros, requeridos
ao processo de lingotamento desenvolvido neste trabalho;
adaptados ao elevador foram montados micro interruptores para posicionar o
extrator nos limites superior e inferior;
29
um sistema de aquisição e controle de dados que é formado por uma placa de
aquisição de dados analógica com 16 canais e um microcomputador. A escolha
deste sistema permite que se possa trabalhar com diferentes tipos de entrada de
dados tais como a leitura de tensão e de corrente do sistema de indução, dados de
temperatura, dados de carga estática ou dinâmica bem como o controle de potência
do sistema de indução;
uma torre de refrigeração externa ao laboratório que realizava a manutenção do
fluido refrigerante mantendo-o na temperatura de trabalho.
O sistema provisoriamente montado para execução dos testes possibilitava a variação de
todos os parâmetros, menos o de campo magnético. A matriz utilizada possui na região central
um furo redondo o qual é a cavidade do molde que dará forma geométrica ao lingote. Em seu
interior possui uma galeria de refrigeração que possibilitou a vazão de até 15 litros/min de água,
para refrigeração do lingote durante sua produção. A vazão de água manteve-se constante, 12
litros por minuto, em todos os ensaios, utilizando-se sempre a mesma vazão a fim de otimizar a
extração de calor. Os parâmetros de realização dos testes, bem como seus resultados serão
descritos no capítulo: RESULTADOS E DISCUSSÕES.
Figura 3.4 - a) Montagem do sistema utilizada na execução dos testes preliminares; b) Detalhe do
molde teste (TORRES, 2011).
a)
b)
30
3.4 Análise do campo magnético
O sistema de lingotamento contínuo, sob influência da agitação eletromagnética, é
composto de um motor de 4 HP do qual foi retirado o rotor, permanecendo apenas o estator para
aproveitamento da geração do campo magnético. O estator escolhido foi um que contém dois
bobinamentos diferentes, sendo um do tipo Dahlander e o outro simples, possibilitando assim três
formas de energização diferentes, como está ilustrado na figura 3.5. Foi realizado um
mapeamento do campo magnético em todas as possíveis formas de energização. O campo
magnético foi gerado a partir de um sistema de potência tiristorizado de corrente alternada que
permite uma variação da potência trifásica entregue ao estator de 4 HP. Para isto, recebe sinais de
entrada de uma unidade de disparo que recebe o sinal de sincronismo da rede trifásica e gera
sinais de disparo para a unidade de potência. O controle foi feito de forma manual através do
painel de controle, permitindo variar a tensão aplicada à carga e a base de tempo ajusta o período
de inversão do sentido do campo magnético, horário ou anti-horário. O condicionador de sinais
adequa os níveis de tensão e corrente do barramento de alimentação (0 a 220 V) aos exigidos pela
placa de aquisição de dados. Ao escolher um ângulo α de disparo determina-se, a potência
trifásica induzida, quanto menor o ângulo, maior a tensão eficaz aplicada ao sistema. O que o
sistema faz na realidade é escolher o período, ou seja, o tempo de aplicação da corrente a carga
assim pode-se variar a tensão e consequentemente a potência (0W a 3000W).
a
b
c
Figura 3.5 – Diferentes formas de energização para o estator gerador de campo eletrmagnético.
a–Triângulo, b- Duplo estrela e c– Estrela.
31
Após o mapeamento do campo magnético constatou-se que a forma de energização que
permitia o maior intervalo de campo magnético de 0 Gauss chegando até 40 Gauss
aproximadamente, foi a demonstrada na figura 3.5-a, fechamento em “ triângulo”. Para
verificação do campo magnético foi realizada uma varredura no centro e periferia da cavidade do
molde, variando a profundidade a cada 10 mm até atingir toda a extensão do conjunto
estator/molde. O Gausímetro utilizado para o mapeamento do campo magnético, foi um
LAKESHORE 410, que permite medidas desde 0,1 Gauss até 20 KGauss. Para viabilizar a
obtenção e precisão na leitura das medidas adaptou-se o gausímetro a um dispositivo que permite
a variação de profundidade e a variação de posicionamento entre centro e periferia, figura 3.6. Os
resultados obtidos em cada condição de medição de campo magnético estão plotados no gráfico
indicado a seguir na figura 3.7.
Figura 3.6 – Gausímetro e dispositivo utilizado para mapeamento de campo magnético.
A figura 3.7 traz uma comparação de todas as condições de campo magnético medidas,
na qual podem ser observadas as variações de campo magnético, sendo que na periferia
observam-se os campos de maiores magnitudes e, ao deslocar ao centro, com medição
32
realizada a 15 mm da periferia, o campo declina praticamente a metade em qualquer
condição de potência medida.
Figura 3.7 - Comparações entre todas as condições de campos medidas.
3.5 Projeto, fabricação do molde definitivo e montagem do sistema para
lingotamento contínuo
Após realização dos testes preliminares e mapeamento do campo magnético foi possível o
estabelecimento de alguns parâmetros construtivos e de montagem. A construção da matriz foi
realizada seguindo estes parâmetros. Uma visão geral dos componentes que compõe o molde está
demonstrada na figura 3.8 e detalhes construtivos nas figuras 3.9 e 3.10.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Cam
po m
agn
étic
o (
Gau
ss)
Profundidade da matriz (mm)
Centro-1500 W Periferia-1500 W Centro-3000 W
Periferia-3000 W Periferia-sem molde Centro-sem molde
33
1- Corpo do molde.
2- Galeria de distribuição da
refrigeração.
3- Tampa do molde.
4- Anel de entrada e saída de
refrigeração.
5- Anel de vedação Ø 88 mm
6- Anel de vedação Ø48 mm
9- Porca de sustentação.
Figura 3.8 - Vista explodida mostrando todos os componentes existentes no molde de
lingotamento.
34
Figura 3.9 - Corpo do molde em corte mostrando entrada e saída de refrigeração e estado da
superfície.
A A
A-A
35
Figura 3.10 – Desenho em corte mostrando principais cotas e com vista de detalhe C mostrando
posicionamento do termopar no molde lingotador.
36
A figuras 3.9 e 3.10, mostram ainda a câmara de refrigeração utilizada durante a
solidificação do lingote, esta disposição permitiu a utilização de toda a vazão oferecida pelo
sistema que chegou a possibilitar uma vazão de até 15 litros por minuto.
O posicionamento do termopar no molde foi atribuído tendo em vista o observado nos
gráficos de mapeamento de campo magnético, conforme mostrado nas figuras 3.9 e 3.10, onde o
campo magnético começa a se pronunciar quando a profundidade da matriz atinge
aproximadamente 100 mm, figuras 3.11 e 3.12, esta região é também o ponto de espera do
extrator do lingote onde ocorrerá a alimentação de metal fundido.
Figura 3.11 – Molde com extrator posicionado à espera do vazamento.
37
Figura 3.12 – Posicionamento do extrator em relação ao campo magnético.
A montagem definitiva, figura 3.15, do sistema completo de lingotamento contínuo é
composta pelos componentes já mencionados na montagem provisória a qual foram acrescidos os
componentes: mostrado na figura 3.13 e 3.14 é constituído por:
estator para geração do campo eletromagnético, cujas características já foram
descritas na seção 3.4;
molde definitivo que dá forma geométrica ao lingote e possui o sistema de
refrigeração primária;
sistema de refrigeração secundária que submetia o lingote, na saída do molde, a um
spray de ar comprimido com água, figura 3.13;
dispositivo utilizado para auxiliar o vazamento;
um termo par do tipo “K” blindado para que não ocorresse interferências no sinal
devido ao intenso campo magnético.
Início do vazamento
38
Figura 3.13 – Sistema de refrigeração secundário.
Figura 3.14 – Dispositivo utilizado para auxiliar o vazamento.
39
3.15 – Conjunto lingotador completo (TORRES, 2011).
3.6 Caracterização microestrutural
Após terem sido produzidos os lingotes, foi realizado a caracterização microestrutural, a
qual consistiu em determinar a dimensão dos grãos cristalinos e espaçamento dendrítico. Para
dimensionar os grãos foi utilizada a metalografia com luz polarizada e para determinar o
espaçamento dendrítico foi utilizada a metalografia convencional.
Cada lingote produzido teve amostras retiradas da parte proximal, medial e distal. Vale
ressaltar que as amostras da região proximal foram retiradas imediatamente após o lingotamento
40
estabilizar a microestrutura, ou seja, o sistema entrar em regime. Todas a amostras foram
embutidas em baquelite e preparadas utilizando-se lixa de granulometria 320, 400, 600, 800,
1000 e 1500 mesh, e posteriormente, polidas com solução de alumina ( de 6 µm e 1 µm .
Para a mensuração do espaçamento dendrítico, utilizou-se uma caracterização microestrutural
preta e branca, não sendo necessário ataque. Já para a contagem de grãos, utilizou-se metalografia
colorida. As amostras foram previamente atacadas em solução eletrolítica de 1,8% sob
constante agitação e submetidas a uma tensão de 30 V e corrente média 0,5 A por 3,5 minutos.
As amostras foram analisadas em um microscópio óptico Leica DM ILM, e obtidas as
micrografias preto e branco e coloridas, sendo que, as coloridas foi utilizado um filtro de luz
polarizada para obtenção das imagens dos grãos. Assim, entende-se que grãos com a mesma
orientação cristalográfica apresentarão a mesma cor, contribuindo para a caracterização. Para
ambas as caracterizações empregou-se o método dos interceptos de Heyn, conforme norma
ASTM E 112 – 1996. A figura 3.16 exemplifica como foi realizada as medições dos grãos e o
espaçamento dendrítico.
Figura 3.16 - Exemplo do método utilizado para mensurar o tamanho de grão (à esquerda) e
espaçamento interdendrítico (à direita).
41
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo são apresentados e discutido os resultados obtidos nos procedimentos
experimentais, em todas as fases de desenvolvimento deste projeto. Para tanto, os resultados
serão apresentados da forma como os ensaios foram realizados, para facilitar a explanação acerca
dos fenômenos envolvidos e das hipóteses levantadas.
Para este trabalho inicial, a opção pelo planejamento experimental tradicional é
inviável, na determinação das condições iniciais de produção, uma vez que não existem as
condições de controle de vazamento com o sistema operacional, somente no futuro poderá
ser feita a otimização via doe (design of experiments).
4.1 Determinação da temperatura de vazamento, velocidade de
lingotamento e acabamento superficial da matriz
Para determinação da temperatura de vazamento optou-se inicialmente por um
superaquecimento mínimo de 50 ºC e a temperatura de vazamento ocorreu a 660 ºC. Fixou-se a
velocidade de lingotamento em 2 mm/s e o acabamento superficial da cavidade do molde
escolhido inicialmente foi Ra = 1,06 µm, conforme mostrado no capítulo MATERIAIS E
MÉTODOS. O objetivo por optar pelo superaquecimento de 50 ºC foi o de realizar o vazamento
à temperatura mais baixa possível. Já a velocidade de lingotamento optou-se pela menor
velocidade constante que o sistema proporcionava e o Ra=1,06 µm representa a rugosidade
depois de passado alargador. O principal objetivo dos primeiros ensaios foi simplesmente
sincronizar velocidade de vazamento com velocidade de lingotamento, e com a capacidade de
extração de calor do sistema. Estabeleceu-se em 15 mm a altura de metal fundido no interior da
cavidade do molde. A determinação de 15 mm a altura de metal fundido no interior da cavidade
do molde, o que é dado de forma que, ao iniciar o vazamento, exista um retardo entre início do
42
vazamento e o acionamento da extração. A tabela 4.1 traz todos os parâmetros testados. A
terminologia “Falho” representa um conjunto de parâmetros cujos ensaios não deram certo e a
terminologia “Pleno” representa os parâmetros que produziram lingotes com qualidade.
Tabela 4.1 - Parâmetros testados e pressupostos nos ensaios iniciais.
P
arâ
met
ros
E
nsa
io
Tem
per
atu
ra
( ºC
)
Ru
gosi
dad
e
Ra (µ
m)
Vel
oci
da
de
de
lin
gota
men
to
( m
m/s
)
Áre
a ú
til
do m
old
e
( m
m )
Res
ult
ad
os
1º 660 1,06 2 15 à 20 Falho
2º 700 1,06 2 15 à 20 Falho
3º 800 0,17 2 15 à 20 Falho
4º 800 0,06 3 15 à 20 Pleno
5º 800 0,06 4 15 à 20 Falho
6º 800 0,06 3 20 à 25 Falho
Após a realização do primeiro ensaio constatou-se a necessidade de elevação da
temperatura de vazamento para melhorar a fluidez e conseguir suprir de forma contínua o metal
fundido na cavidade do molde lingotador. Verifica-se que ao se fixar a velocidade de
lingotamento em 2 mm/s, tem-se que manter o nível de metal fundido constante dentro do molde
de tal forma que o fornecimento tenha que ser de igual magnitude com a velocidade de
43
lingotamento para que o nível de metal liquido dentro da cavidade do molde permaneça o mais
constante possível.
Visto que o abastecimento do molde ocorre de forma manual, o controle de vazamento é
um fator que exige precisão e depende grandemente da fluidez do metal líquido que está sendo
vazado. Os lingotes obtidos após realização do primeiro ensaio estão demonstrados na figura 4.1.
Figura 4.1 - Lingotes obtidos em duas tentativas de vazamento do ensaio 1.
Após a realização do primeiro ensaio ajustou-se a temperatura de vazamento para 700 °C, a
fim de se obter maior fluidez e se controlar melhor o fluxo de metal para dentro da cavidade do
molde.
No inicio do vazamento com a temperatura do metal liquido em 700 °C o controle de
vazamento apresentou uma forte tendência a se estabilizar e manter um fluxo constante de
material, que pode ser verificado nos lingotes indicados na figura 4.2, em que se alternam-se
regiões mais uniformes (fluxo constante) e regiões com emendas frias que demonstram pequenas
interrupções no abastecimento de metal fundido na cavidade do molde. Estas interrupções surgem
44
com o decair da temperatura que chega a oscilar em média 50 °C entre o inicio e fim do
vazamento.
Figura 4.2 - Lingotes obtidos com temperatura de vazamento ajustada em 700 °C.
Tendo em vista as diferenças observadas decidiu-se aumentar a temperatura de vazamento
para 800 °C e o Ra da cavidade da matriz foi reduzido para 0,17 µm, para melhorar a
operacionalidade. Os parâmetros ajustados estão expressos na tabela 4.1, e os lingotes obtidos
estão indicados na figura 4.3.
Figura 4.3 – Lingotes obtidos com temperatura de vazamento 800 °C.
Após fixar a temperatura de vazamento, seguiu-se o quarto ensaio que consistiu em
otimizar ao máximo a transferência de calor para uma solidificação mais rápida. Desta forma
45
adotou-se um Ra = 0,06 µm. As variações de temperatura observadas nos vazamentos com
diferentes Ra (s) estão expressas na figura 4.4 e o lingote obtido na figura 4.5.
Figura 4.4 – Comparação das diferentes temperaturas observadas na região de solidificação com
seus respectivos Ra.
Figura 4.5 – Lingote obtido com solidificação convencional e acabamento superficial da
cavidade do molde com Ra=0,06 µm.
A escolha do Ra de 0,06 como acabamento superficial da cavidade do molde lingotador,
embora seja obtida por um processo que tende a onerar o projeto, justifica-se quando se considera
0
20
40
60
80
100
1201 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
10
3
Tem
per
atu
ra (º
C)
Tempo (s)
Ra 1,06
Ra 0,17
Ra 0,06
46
o de lingotamento contínuo como sendo um processo basicamente de transferência de calor. Ao
ser vazado, o líquido superaquecido dentro da cavidade do molde, gera transferência de calor por
três formas, condução, convecção e radiação.
Os mecanismos de transferência de calor podem ser observados nos seguintes componentes
do conjunto molde/lingote:
no metal líquido ocorrem condução e convecção, na porção remanescente líquida durante
o lingotamento;
nas paredes do molde que dão forma geométrica ao lingote, ocorre condução, enquanto
parte do lingote permanece dentro da área útil do molde e logo após radiação, à medida
que o lingote se afasta da área útil e prossegue sua extração dentro da parte cônica do
molde;
no fluido refrigerante dentro da câmara de refrigeração do molde ocorre convecção, o que
justifica a captação da água se localizar na parte superior da câmara de refrigeração;
na espessura solidificada envolta do lingote ocorre condução;
e por fim, na camada de ar que se forma devido a desvios microgeométricos existentes na
cavidade do molde, oriundos do processo de usinagem empregado, que faz com que o
contato entre o alumínio fundido e a parede do molde não seja ideal. Nesta camada de ar
ocorre condução, convecção e radiação.
O Ra é um parâmetro de rugosidade baseado na profundidade da rugosidade. À medida que
o valor da rugosidade diminui a altura dos picos e dos vales também diminuem e a quantidade de
picos e vales aumenta a tendência a alcançar uma superfície perfeita onde o Ra seria 0 (zero) e
consequentemente máximo contato entre o metal e o molde.
No caso da transferência de calor por condução, este fenômeno é otimizado por dois
aspectos: o primeiro é que a distância para ocorrer a transferência de calor fica encurtada,
havendo, então, um aumento dos pontos de contato e podem acrescer a esta otimização o fato de
ocorrer deformações nos picos, inerentes às tensões de arraste do lingote para fora do molde, o
que faz com que a área de contato se torne maior do que aquela inicialmente mensurada e
representada pelo perfil de rugosidade. Nesta mesma análise pode-se observar que a transferência
de calor por radiação também é favorecida, visto que, enquanto o lingote estiver dentro da altura
47
útil, do molde, a profundidade dos vales fica reduzida, fazendo com que os espaços para serem
preenchidos por ar também sejam menores. À medida que o lingote se afasta da altura útil, a
ocorrência da radiação ainda continua, só que de forma menos eficiente, por que, com o
deslocamento vertical do lingote no sentido da extração, também ocorre o afastamento radial,
visto que o molde possui uma conicidade em sua cavidade para facilitar o processo de extração.
Observa-se que, após ter atingido estes parâmetros, o lingote obtido nas condições anteriormente
apresentadas, figura 4.5, não apresentou descontinuidades. Desta forma, atribui-se a estas
condições de ensaio o ponto de partida para os demais vazamentos.
Após ter aferido os parâmetros mínimos de processamento para obtenção dos lingotes
buscou-se aumentar a velocidade de lingotamento, ou seja, a velocidade com que o extrator retira
o lingote do interior da cavidade do molde. Vale ressaltar que o intento deste ensaio foi o de
agilizar a obtenção dos lingotes. O ensaio com velocidade de lingotamento maior ocorreu nas
mesmas condições que o anterior alterando-se apenas a referida velocidade, conforme mostrado
na tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Parâmetros de realização dos ensaios com velocidade de lingotamento e
comprimento útil aumentados.
Temperatura de
vazamento
Velocidade de
lingotamento
Altura de metal
fundido na cavidade
do molde
Acabamento
superficial (Ra)
750 ºC a 800 °C 4 mm/s 15 a 20 mm 0,06
750 ºC a 800 ºC 3 mm/s 20 a 25 mm 0,06
Observa-se que os lingotes obtidos nos ensaios com a velocidade de lingotamento
aumentada para 4 mm/s e altura de metal fundido na cavidade do molde para 20 a 25 mm, ambas
as situações provocaram instabilidade no lingotamento e ruptura do lingote. No caso de aumento
da velocidade de lingotamento, o sistema de refrigeração atingiu um ponto de saturação em sua
capacidade de retirar calor, implicando na formação insuficiente da espessura crítica necessária
48
para que o lingote suporte as tensões de extração e pressão metalostática, assim ocasionando
inicialmente um “sangramento” lateral, mostrado na figura 4.6, e evoluindo para a ruptura da
lateral do lingote, mostrado na figura 4.7, interrompendo o processo.
Figura 4.6 - Pontos de ocorrência de “sangramento”.
Figura 4.7 - Lingote com pontos da evolução do “sangramento” à ruptura.
Já no caso do aumento da altura de metal fundido na cavidade do molde, instantes após o
início do vazamento ocorreu um aumento de temperatura na região inicial de solidificação
conforme mostrado na figura 4.8, imediatamente após este aumento de temperatura houve um
49
travamento no sistema de extração chegando a causar momento fletor no braço extrator, desta
forma imediatamente suspendeu-se o lingotamento. Tal fenômeno se explica, ao considerar que o
aumento da altura útil do molde para 25 mm também ser um parâmetro que sobrecarrega a
capacidade de extração de calor pelo sistema de refrigeração, e ao observar o lingote obtido,
figura 4.9 e o gráfico de temperatura, figura 4.8, observa-se dois instantes distintos: o primeiro
quando ocorre o travamento do extrator, causando momento fletor no braço extrator, devido o
sistema de extração continuar acionado e o lingote aderido à cavidade do molde, as tensões
geradas provocaram uma deformação axial no lingote indicada na figura 4.9, associa-se a este
instante o pico de temperatura observado no gráfico figura 4.8; o segundo, quando
espontaneamente após alguns segundos o extrator é liberado , com o decair da temperatura e
consequentemente a solidificação e desprendimento do lingote da superfície da cavidade do
molde.
Figura 4.8 – Gráfico com perfil de temperatura para o ensaio com altura de metal fundido na
cavidade do molde aumentada para 25 mm ( região assinalada em vermelho momento onde
ocorre travamento, e região em azul o destravamento).
50
Figura 4.9 – Lingote obtido com altura de metal fundido na cavidade do molde aumentada de 20
a 25 mm, apresentando deformação axial.
Figura 4.10 – Vista de topo dos lingotes, para vários parâmetros ensaiados.
A B
C D
51
As imagens apresentadas na figura 4.10 mostra o topo dos lingotes obtidos durante os
ensaios, visto que, as imagens indicadas pelas letras “A” e ”B”, representam lingotamentos bem
sucedidos, ou passíveis de ajustes durante o ensaio. Nota-se que quanto mais perfeita se forma
uma calota esférica no topo do lingote mais perfeitamente se dá o lingotamento. Já as imagens
“C” e “D” representam lingotamentos falhos por um dos motivos anteriormente descritos. Tendo
em vista que o controle dos vazamentos ocorre de forma manual e necessitam de precisão, o
controle visual da região de alimentação torna-se um importante indicativo, possibilitando assim
paradas rápidas e evitando eventuais danos causados pelo metal líquido ao equipamento e longas
paradas para reparos.
Observa-se que, a temperatura de vazamento que se mostrou operacional foi de 800 °C. Os
lingotes tiveram suas dimensões de comprimento variando entre 200 e 300 mm levando um
tempo médio de 100 segundos cada vazamento, tempo suficiente para a temperatura de
vazamento diminuir em média 50 °C. Tendo como diretrizes os ensaios realizados e acima
descritos convencionou-se a utilização de um superaquecimento de 140 °C. Este
superaquecimento se justifica devido ao vazamento ser de controle manual, contando apenas
para auxílio um suporte fixado para sustentação do cadinho. Alguns fatores metalúrgicos afetam
a viscosidade e por consequência a fluidez do metal em fundição, levando-se em conta que a
velocidade de lingotamento é de 2 mm/s, isso significa que durante 1 segundo a cavidade do
molde deve ser alimentada com aproximadamente 1,4 de metal líquido, o que equivale a
dizer que o volume de metal corresponde a um cubo de aresta 1,1 cm, o que exige um controle
preciso no vazamento. Dentro dos fatores metalúrgicos como, composição química, filme de
óxido, tensão superficial, o superaquecimento é o único em questão que oferece uma condição de
ajuste facilitada e por consequência a possibilidade de obtenção de uma fluidez que possibilite o
vazamento contínuo mesmo que em condições operacionais mínimas, o que orientou novamente
na decisão do superaquecimento de 140 ºC. Observou-se na sequência de ensaios realizados que a
definição de aspectos construtivos e parâmetros de processo são questões que devem ser
analisadas com extrema cautela no projeto de um sistema de lingotamento. Desejando-se,
novamente, um processamento com a menor temperatura possível, no primeiro ensaio com
superaquecimento do metal em 50 ºC ficou constatado a impossibilidade de processamento
devido a várias emendas frias geradas no lingote obtido, o que se justifica devido a um dos
52
fatores que interferem na fluidez do alumínio ser a temperatura, e a camada de óxido. Esta
camada de óxido faz com que o fluxo de metal vertido para dentro do molde apenas comece a
fluir depois de um acúmulo no bico dosador do cadinho, gerado por uma camada gelatinosa de
óxido, o que acarreta em uma grande quantidade de metal alimentando o molde de uma única
vez, e como a velocidade de lingotamento não suporta tal volume de metal, faz com que a
alimentação ocorra de forma intermitente, gerando um lingote de baixa qualidade e com
descontinuidades, ou seja, as emendas frias, ou quando se oscila a velocidade de alimentação
fornecendo mais material do que sistema suporta gerando “breakout” por agarramento.
Acrescentando-se aos problemas supracitados ainda ocorre o decréscimo de temperatura de até
50 ºC o que faz com que, no caso da temperatura de vazamento ser 660 °C o superaquecimento se
aproxime de zero dificultando cada vez mais a alimentação do molde, quando observados os
vazamentos realizados a temperaturas mais baixas. Após os ensaios podem-se determinar os
parâmetros iniciais de trabalho como segue: temperatura de vazamento (750 °C a 800 °C),
velocidade de lingotamento (3 mm/s), altura de metal fundido na cavidade do molde (10 a 15
mm), acabamento superficial da cavidade do molde (Ra = 0,06 µm), tais dados também estão
expressos na tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Parâmetros operacionais.
P
arâ
met
ros
E
nsa
io
Tem
per
atu
ra
( ºC
)
Ru
gosi
dad
e
Ra (
µm
)
Vel
oci
dad
e d
e
lin
gota
men
to
( m
m/s
)
Alt
ura
de
met
al
fun
did
o n
a c
avid
ad
e
do m
old
e
( m
m )
1º 800 0,06 3 15 a 20
53
4.2 Obtenção dos lingotes para caracterização
Uma vez determinados os parâmetros básicos de processo seguiram-se os vazamentos para
obtenção de lingotes nas condições de apenas refrigeração primária e refrigeração primária mais a
secundária. A refrigeração primária consistiu apenas na refrigeração proporcionada pelo fluxo de
água dentro da galeria de refrigeração do molde metálico. Já a refrigeração secundária consistiu
em submeter o lingote assim que saía do molde a um spray de ar comprimido e água. Cada uma
destas condições iniciais ainda se variou o tipo de solidificação em três condições: solidificação
convencional “0 W”, agitado à “1500 W” e “3000 W”. Todas as condições estãoexpressas na
tabela 4.4. Doravante, convencionar-se-á a utilização da seguinte notação: “RP” refrigeração
primária e “RPS” refrigeração primária mais a secundária. Para ambas as condições RP e RPS o
fluido refrigerante manteve-se a 22 °C.
Tabela 4.4 – Parâmetros para produção dos lingotes utilizados na caracterização.
Tipo de solidificação Corrente
Vazão de fluido
refrigerante
RP
Solidificação convencional 0
12 litros / min 1500 W 6 A
3000 W 12 A
RPS
Solidificação convencional 0 A 12 litros / min
+
0,3 litros / min
1500 W 6 A
3000 W 12 A
Foram produzidos lingotes para cada condição indicada na tabela 4.4, e os vazamentos
replicados para confiabilidade dos resultados. Os lingotes obtidos tiveram seu comprimento
variando entre 200 mm e 300 mm, conforme exemplo mostrado na figura 4.11, e foram
54
escolhidas as réplicas que apresentaram inicialmente através de uma análise visual uma boa
uniformidade, para prosseguir com a caracterização metalográfica que será apresentada a seguir.
Figura 4.11 – Exemplos de lingotes produzidos com seus comprimentos máximo e mínimo
4.3 Análise metalográfica.
Esta seção traz toda caracterização microestrutural e discussões a respeito dos lingotes
produzidos sob as condições de solidificação e refrigeração diferenciadas. Todo o processo de
obtenção dos lingotes bem como as condições de solidificação e refrigeração foi descrita na seção
anterior deste capítulo. Assim, apenas serão apresentadas as micrografias coloridas e as em preto
e branco, os resultados obtidos e a respectiva discussão. Como já explicado, as micrografias em
preto e branco foram utilizadas para determinar as dimensões do espaçamento dendrítico e as
micrografias coloridas para dimensionar o tamanho de grão. A figura 4.12, mostra o local de
retirada de todas as amostras para análise metalográfica.
A região 1, representada no detalhe “A” do desenho, foi analisada para verificar a evolução
microestrutural desde o início da formação do lingote até quando ocorre estabilização
microestrutural, ou seja, quando o sistema entra em regime.
55
Figura 4.12 - Imagem representativa das posições analisadas por metalografia convencional e por
luz polarizada.
56
A região 2 representa a porção proximal dos lingotes logo após terem entrado em regime.
A região 3 representa a região medial. A região indicada pelo número 4 representa a porção
distal dos lingotes, visto que, foram descartados 15 mm dos topos e analisadas as amostras
imediatamente anteriores à região de descarte e posteriores o sistema ter entrado em regime.
Dessa forma, as numerações indicadas por 2, 3 e 4 representam, inclusive nos gráficos, o
local de realização das micrografias.
A análise metalográfica ocorrerá por meio de quatro abordagens, que seguem:
análise da seção longitudinal na porção proximal do lingote, para determinação da
dimensão do descarte, ou seja, verificação de quando o sistema entra em regime ;
análise da seção transversal, imediatamente o sistema ter entrado em regime, para
constatação, através de uma varredura da periferia para o centro, do efeito das
diferentes condições de refrigeração e profundidade de ação do campo magnético a
0 W, 1500 W e 3000 W;
análise quantitativa da seção transversal, na região mediana, nas porções proximal
(2), medial (3) e distal (4) para verificação de quão estável se manteve a
microestrutura durante os lingotamentos;
realização de comparação através das micrografias e da análise quantitativa dos
ensaios visando relacionar parâmetros de solidificação e campo magnético com o
tamanho de grãos e espaçamento dendríticos obtidos, evidenciando o efeito
refinador do sistema.
Inicialmente serão apresentadas as micrografias que mostram a evolução da microestrutura
a partir do contato com o extrator do lingote até estabilização da microestrutura. O lingote
utilizado para esta análise inicial foi uma das réplicas obtidas após ter consolidado os parâmetros
de lingotamento. As micrografias apresentadas na figura 4.13 e 4.14, foram obtidas através de
análise da secção longitudinal do lingote conforme indicado por região 1 na figura 4.12.
57
Figura 4.13 – Micrografias sequenciais obtidas ao longo secção longitudinal do lingote
da 1ª à 6ª.
1 ª 2 ª
3 ª 4 ª
6 ª 5 ª
58
Figura 4.14 – Micrografias sequenciais obtidas ao longo secção longitudinal do lingote
da 7ª à 10ª.
O objetivo da apresentação das micrografias é que se pode observar e mensurar o descarte,
seguindo a sequência na qual são apresentadas.
O descarte se faz necessário devido a microestruturas diferenciadas, refinadas, não
refletindo a uniformidade do lingote como um todo. Observa-se pela figura 4.13 na 1ª
micrografia que a região imediatamente após o topo do extrator, o surgimento de pequenos grãos
equiaxiais, pertencentes a uma região coquilhada gerada pela rápida extração de calor
possibilitada pelo topo do extrator no sentido longitudinal do lingote associado à extração radial
da parede do molde.
10 ª 9 ª
8 ª 7 ª
59
Observa-se que na sequência de micrografias, figura 4.14 da 7ª até a 10ª, é possível
detectar que a partir da 9ª micrografia ocorre uma estabilização da microestrutura com grãos de
mesmo tamanho e mesma variação. Considerando a barra de escala de 500 µm, atribui-se a cada
micrografia a medida 2500 µm (2,5 mm) e como as imagens foram aquisitadas na sequência, da
1ª a 10 ª, é possível determinar a medida de descarte. Com base no exposto, adotou-se uma
medida de segurança com 5 mm a mais e manteve-se o descarte em 30 mm para todos os lingotes
produzidos e que foram posteriormente caracterizados.
Após o estabelecimento de quando o sistema encontra-se em regime, procedeu-se a análise
da seção transversal de cada lingote obtido. A análise da seção transversal do lingote serve
inicialmente como orientação de qual região foram obtidas as fotografias para análise
longitudinal do lingote e posterior caracterização.
A seguir, são apresentadas as micrografias obtidas na seção transversal de cada lingote
produzido nas condições de RP e RPS, variando-se o tipo de solidificação (convencional) 0 W,
agitada a 1500 W e 3000 W. Os locais de aquisição das imagens serão chamados região
periférica, central e mediana, conforme mostrado no detalhe “A” da figura 4.12, mostrada
anteriormente.
As micrografias mostradas, na figura 4.15, revela a microestrutura resultante sob as
diferentes condições ensaiadas. Observa-se a partir da periferia do lingote a atuação do campo
magnético e das diferentes condições de refrigeração impostas e o seu efeito até a região central.
O campo magnético agiu em todas as condições nas quais foram impostas a agitação
magnética. Observa-se, que as micrografias obtidas na região periférica revelam uma
fragmentação dendrítica devido à agitação provinda do intenso campo magnético aplicado
durante os vazamentos. Porém, a profundidade de atuação do campo difere nas duas condições de
refrigeração.
Nos lingotes que foram obtidos apenas com RP (refrigeração primária, refrigeração apenas
no molde), observa-se um aumento crescente no tamanho de grãos, figura 4.15, da periferia para
o centro do lingote, o que se justifica dado a intensidade do campo magnético não ser a mesma,
como descrito no capítulo MATERIAIS E MÉTODOS. A intensidade do campo magnético para
uma determinada potência se reduz à metade, da periferia para o centro. Associado a este déficit
60
Cen
tral
Med
iana
Per
ifér
ica
Zona coquilhada
Figura 4.15 – Micrografias obtidas da seção transversal na região periférica, mediana e
central dos lingotes obtidos com RP sob 0 W, 1500 W e 3000 W.
RP (0 W) RP (1500 W) RP (3000 W)
61
de campo ainda soma-se a eficiência de extração de calor não ser a mesma. Esse fato é observado
na região periférica onde verifica-se a ocorrência de uma zona coquilhada, contornada em preto
na figura 4.15, devido à rápida extração de calor imposta pelas paredes metálicas do molde. A
medida que se analisa em direção ao centro, o tamanho dos grãos aumentam, como resultado
então de uma combinação de dois fatores: campo magnético menos intenso, efeito refinador
reduzido, e uma extração de calor mais lenta , permitindo que os grãos cresçam mais no centro do
lingote mediante as condições diferenciadas de solidificação.
Já nos lingotes que foram obtidos com RPS (refrigeração primária mais a secundária), o
aumento no tamanho de grãos na direção radial, não foi significativo quanto ao observado na
condição de RP. Verifica-se conforme figura 4.16, uma inevitável zona coquilhada, indicada por
contorno preto, devido também à rápida extração de calor e a ação mais intensa do campo
magnético, porém, à medida que se avança para o centro do lingote, cerca de 2 mm da região
periférica, ou seja , cerca de quatro barras da escala aproximadamente, observa-se uma forte
tendência de homogeneização no tamanho dos grãos, inclusive no lingote obtido a 0 W
(solidificação convencional). Como dito anteriormente, mesmo na condição de solidificação
convencional (0 W), excetuou-se a região coquilhada e logo após observa-se uma microestrutura
estável até a região central. Tal condição confirma-se conforme mostrado na figura 4.16, para
outras condições de solidificação, agitada a 1500 W e 3000 W.
Com base nessa análise inicial, seguiu-se a análise quantitativa no sentido longitudinal dos
lingotes, consistindo em mensurar o tamanho de grão e o espaçamento dendrítico. As imagens
metalográficas obtidas após ataque eletrolítico e obtenção de imagens em microscópio com luz
polarizada, obtendo assim fotos coloridas, foram utilizadas para realização da contagem de grãos
considerando que, partes com mesma coloração fazem parte do mesmo grão desde que sejam
adjacentes. As imagens em branco e preto foram utilizadas para medir o espaçamento dendrítico.
Define-se para condição RP, que as micrografias utilizadas tanto para a contagem de grãos
quanto para espaçamento dendrítico fossem obtidas na porção mediana de cada amostra e para a
condição RPS devido à uniformidade obtida no tamanho dos grãos no sentido radial
desconsidera-se apenas a região coquilhada para obtenção das micrografias.
62
Zona coquilhada
Per
ifér
ica
Med
iana
Cen
tral
Figura 4.16 - Micrografias obtidas da seção transversal na região periférica, mediana e
central dos lingotes obtidos com RPS sob 0 W, 1500 W e 3000 W
RPS (0 W) RPS (1500 W) RPS (3000 W)
63
Doravante serão apresentadas as micrografias obtidas as quais foram realizadas do
comprimento útil de cada lingote. As micrografias apresentadas foram as obtidas nas regiões
proximal, medial e distal e analisadas a seção transversal da amostra conforme estabelecido
acima e indicado anteriormente no inicio desta seção, nos detalhes “A” e “B” da figura 4.12. As
mesmas posições foram utilizadas para contagem de grãos e espaçamento dendrítico. As
micrografias obtidas por luz polarizada serão apresentadas à direta e as micrografias em preto e
branco, à esquerda.
As micrografias mostradas nas figuras 4.17 até a 4.19 na condição RP e nas figuras 4.20 até
4.22 na condição RPS são parte das cinco micrografias retiradas de cada região para realização da
contagem de grãos e espaçamento dendrítico. Este procedimento possibilita a análise
longitudinal, onde se verifica o tamanho dos grãos e sua homogeneidade ao longo do
comprimento do lingote.
64
Reg
ião d
ista
l.
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.17 - Micrografias da região proximal, medial e distal, com solidificação convencional
(0W) na condição RP.
65
Reg
ião d
ista
l.
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.18 - Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
ocorrida a 1500W na condição RP.
66
Reg
ião d
ista
l
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.19 - Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
ocorrida a 3000W na condição RP.
67
Reg
ião d
ista
l
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.20 - Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação
convencional (0 W) na condição de RPS.
68
Reg
ião d
ista
l
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.21 - Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação a
1500 W na condição de RPS.
69
Reg
ião d
ista
l
Reg
ião m
edia
l.
Reg
ião p
roxim
al.
Figura 4.22 - Micrografias da região proximal, medial e distal do lingote com solidificação a
3000 W na condição de RPS.
70
A princípio os resultados serão demonstrados em forma de tabela seguidos posteriormente
por gráfico, devido à facilidade de se visualizar os resultados obtidos, tecer uma análise e
estabelecer comparações entre o tamanho de grão e espaçamento dendrítico, bem como a relação
(TG/ED), tamanho de grão e espaçamento dendríticos.
Tabela 4.5 – Média de tamanho grão e média de espaçamento dendrítico seguida da relação
TG/ED, caracterizados nas três regiões do lingote com refrigeração primária (RP).
RP – Refrigeração primária
Proximal Medial Distal
Tamanho de Grão (µm) Tamanho de Grão (µm) Tamanho de Grão (µm)
0 W 495 µm ± 113 482 µm ± 126 530 µm ± 114
1500 W 176 µm ± 27 154 µm ± 35 172 µm ± 33
3000 W 549 µm ±118 480 µm ±124 526 µm ± 108
Espaçamento dendríticos
(µm)
Espaçamento dendríticos
(µm)
Espaçamento dendríticos
(µm)
0 W 48 µm ±10 47 µm ±8 50 µm ±13
1500 W 45 µm ± 7 47 µm ± 11 46 µm ± 5
3000 W 78 µm ±8 82 µm ±7 80 µm ±9
⁄
⁄ ⁄
0 W 10,84 µm ± 2,93 10,25 µm ± 3,12 10,31 µm ± 2,89
1500 W 3,89 µm ± 0,82 3,38 µm ± 0,83 3,73 µm ± 0,84
3000 W 7,03 µm ± 2,36 5,83 µm ± 2,42 6,57 µm ± 2,34
71
Tabela 4.6 – Média de tamanho grão e espaçamento seguida da relação dendrítico TG/ED,
caracterizadas nas três regiões do lingote com refrigeração primária + secundária (RPS) .
RPS – Refrigeração primária + secundária
Proximal Medial Distal
Tamanho de Grão (µm) Tamanho de Grão (µm) Tamanho de Grão (µm)
0 W 335 µm ± 74 353 µm ± 59 293 µm ± 52
1500 W 181 µm ± 13 178 µm ± 17 180 µm ± 15
3000 W 237 µm ±16 242 µm ±18 235 µm ± 14
Espaçamento dendríticos
(µm)
Espaçamento dendríticos
(µm)
Espaçamento dendríticos
(µm)
0 W 56 µm ± 12 52 µm ± 15 55 µm ± 12
1500 W 111 µm ± 07 126 µm ± 15 125 µm ± 14
3000 W 84 µm ± 07 91 µm ± 15 88 µm ± 14
⁄
⁄ ⁄
0 W 5,94 ± 1,08 6,12 ± 1,14 5,32 ± 1,10
1500 W 1,64 ± 0,24 1,45 ± 0,18 1,52 ± 0,25
3000 W 2,82 ± 0,24 2,73 ± 0,30 2,67
± 0,40
Ao confrontar as duas condições de refrigeração RP e RPS ao longo do lingote (sentido
longitudinal), pode-se afirmar que os lingotes obtidos sob a condição RP, apresentaram a maior
variação no tamanho dos grãos cristalinos. Verifica-se para a condição de 0 W ,1500 W e 3000 W
uma variação respectivamente de 48, 22 e 69 µm, para as regiões proximal (2), medial (3) e distal
(4). A condição RPS apresentou respectivamente 18, 3 e 7 µm de tamanho de grãos para as
mesmas condições explicadas acima, o que confirma uma significativa redução na oscilação do
tamanho de grãos ao longo do lingote. A variação observada nas condições RP e RPS ocorrem
devido a pequenas oscilações na alimentação, as quais não são suficientemente capazes de
impedir o vazamento, pois se encontram dentro da faixa de tolerância aceita pelo sistema. Porém,
72
exige mais do sistema de refrigeração fazendo com que ocorram variações de temperatura
durante o vazamento e, consequentemente, oscilação do gradiente térmico, refletindo uma
pequena variação no tamanho dos grãos ao longo dos lingotes produzidos.
A condição de refrigeração RPS em relação à RP apresentou a melhor homogeneidade no
sentido longitudinal do lingote bem como o menor desvio padrão nas regiões observadas para
medição dos grãos. Para medida de espaçamento dendrítico, não foram observadas variações
significativas e o desvio padrão destas observações não foi maior que 15 µm.
Quanto a eficiência no refino de grãos, nota-se que imposição de agitação eletromagnética
foi eficaz em todas as condições, há apenas uma ressalva quanto à observância da intensidade do
campo magnético. A despeito de que esperava-se inicialmente, onde o resultado era que, quanto
maior o campo magnético maior seria a agitação e consequentemente um melhor refino de grãos,
tal fato não se confirmou com a obtenção dos resultados. Observa-se que as duas condições de
refrigeração RP e RPS apresentarem um ponto de otimização no refino de grãos em relação a
potência utilizada de 1500 W e sua correspondência com o campo magnético. Ressalta-se que o
campo magnético ao qual o material em solidificação foi submetido é variável em relação a
profundidade da matriz, onde tem-se a 1500 W (12 a 20 Gauss) e a 3000 W (22 a 38 Gauss). A
figura 4.23, traz uma comparação direta entre os valores de tamanho de grãos obtidos sob todas
as condições.
73
Figura 4.23 – Comparação direta entre os tamanhos de grãos para todas as condições de ensaio.
Desta forma, observa-se nas tabelas 4.5 e 4.6, uma tendência em relação ao tamanho de
grãos e espaçamento dendríticos, para as duas condições de refrigeração, onde nota-se que os
grãos tendem diminuir o tamanho com a imposição da potência de 1500 W, campo magnético 12
a 20 Gauss, e o espaçamento dendrítico a crescer, em relação a condição de 0 W (solidificação
convencional). Quando a potência aumenta para 3000 W de 22 a 38 Gauss, os grãos voltam a
crescer novamente, figura 4.23, e o espaçamento dendrítico diminui em relação a condição de
1500 W mas aumenta em relação a condição inicial, figura 4.24.
RP 0 W
RP 1500 W
RP 3000 W
RPS 0 W
RPS 1500 W
RPS 3000 W
74
Observa-se que agitação magnética mostra-se mais eficiente na fragmentação dendrítica
quando foi inserida a potência de 1500 W, campo de 12 a 20 Gauss, ocorrendo uma quebra
mecânica das pontas das dendritas seguido de desprendimento de ramos secundários e terciários,
estes fragmentos foram carregados para o meio líquido e tornaram-se novos núcleos para
formação de novos grãos.
Figura 4.24 – Comparação direta dos espaçamentos dendríticos para todas as condições de
ensaio.
RP 0 W
RP 1500 W
RP 3000 W
RPS 0 W
RPS 1500 W
RPS 3000 W
75
Quando a agitação eletromagnética aumentou para 3000 W, campo de 22 a 38 Gauss, os
grãos tornaram-se maiores aproximando-se da medida obtida sem agitação, porém, o
espaçamento dendrítico também aumentou, figura 4.25. Uma provável explicação é que a forte
agitação imposta devido ao alto campo magnético (22 a 38 Gauss), faz com que o soluto seja
arrancado da base da dendrita impedindo que o ramo se destaque, evitando o fenômeno de
“empescoçamento”. Acrescendo-se ao explicado, pode-se citar um possível dobramento dos
ramos dendríticos causado pela forte agitação causada pelo intenso campo magnético de (22 a 38
Gauss), possibilitando um contato físico seguido de engrossamento ao invés de fragmentação.
Este engrossamento faz com que diminua o número de ramos dendríticos, aumentando a distância
física entre eles.
Figura 4.25 - Relação tamanho de grão espaçamento dendrítico (TG/ED) para todas as condições
de ensaio.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5
Tam
an
ho d
e g
rão
/ E
spa
çam
ento
den
drí
tico
(TG
/ED
)
Posição no lingote
0 W 1500 W 3000 W
RP
RPS
RPS
RPS
RP
RP
76
Ao analisar diretamente o tamanho dos grãos obtidos no lingote, tabela 4.5 e 4.6, pode-se
afirmar que tanto para a condição RP quanto para a RPS a potência de 1500 W, campo magnético
de 12 a 20 Gauss, possibilitaram a produção de matéria-prima com o menor tamanho de grão,
cerca de 178 µm. No entanto, apenas o parâmetro de tamanho de grão é insuficiente para
caracterizar a matéria-prima em questão.
Ressalta-se que a matéria-prima está sendo avaliada para mensurar seu potencial em
processos de tixofundição, sendo assim, deseja-se o menor tamanho de grão e o mais globular
possível após o reaquecimento prévio de globularização para posterior tixoprocessamento.
Desta forma, faz-se necessário estabelecer uma relação entre tamanho de grão e
espaçamento dendrítico (TG/ED), sendo que, quanto mais próximo de 1 for valor desta relação,
mais fácil será a ação dos mecanismos de coalescência e Otswald ripening para a ocorrência da
globularização.
Observa-se na figura 4.25, a relação TG/ED para todas as condições de produção dos
lingotes, onde constata-se que a condição que apresenta a menor relação TG/ED, 1,55 em média,
é a RPS utilizando 1500 W .
Associando os critérios de tamanho de grão e relação TG/ED, conclui-se que entre todas as
condições a que produziu matéria-prima com melhor potencial de utilização foi RPS com
potência de 1500 W, apresentando 178 µm e 1,55, de tamanho de grão e relação TG/ED
respectivamente.
77
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.
Este trabalho teve por objetivo o projeto e a montagem de um sistema de lingotamento
contínuo sob influência de agitação eletromagnética para ligas de alumínio-silício, para posterior
fornecimento de matéria-prima para processos de tixoconformação. O equipamento foi analisado
e desenvolvido por meio de parâmetros construtivos e de processamento e os lingotes obtidos
foram caracterizados através de metalografia convencional e por luz polarizada.
Com base na análise dos resultados obtidos conclui-se que:
para realização dos ensaios foi necessário um superaquecimento elevado, para
garantir o suprimento de material de forma contínua dentro do molde, o que
representou diretamente um parâmetro limitador para a produção dos lingotes, visto
que, limitou a velocidade de lingotamento mediante a capacidade de retirada de
calor do sistema;
o acabamento superficial medido por meio do Ra constitui um importante parâmetro
construtivo da cavidade do molde porque otimiza a transferência de calor e por
consequência o lingotamento;
o emprego de sistema de refrigeração externo ao molde nesse sistema, como por
exemplo o sistema secundário utilizado, possibilitou a produção de lingotes com
melhor refino de grãos para todas as condições de lingotamento inclusive, a que não
utilizou-se agitação eletromagnética;
o sistema de lingotamento entra em regime após 25 mm, do inicio do vazamento, e
baseado nesta determinação, adotou-se um descarte de 30 mm a partir do contato
com o extrator ;
a análise da seção transversal dos lingotes permitiu a constatação da profundidade
de atuação tanto do campo magnético, como das condições de refrigeração. Foi
observado que dentre as condições RP e RPS, os lingotes produzidos na condição
RPS foram os que apresentaram a melhor homogeneidade no sentido transversal;
78
a análise da seção transversal realizada no sentido longitudinal do lingote, nas
porções, proximal, medial e distal, permite a afirmação que a condição RPS mais
uma vez se mostrou ser a que apresentou os lingotes com melhor homogeneidade
microestrutural;
a agitação magnética que se mostrou mais eficiente foi a 1500 W de potência, com
um campo magnético de 12 a 20 Gauss, produzindo lingotes com os menores
tamanho de grãos para ambas as condições de refrigeração RP e RPS, o que sugere
a existência de uma relação entre massa metálica fundida e campo magnético
utilizado, dando origem a um ponto de otimização no refino de grãos;
com o surgimento de um ponto de otimização, consegue-se melhor eficiência
energética, quando utilizada a potência mínima para o melhor refinamento de grãos.
para a produção de lingotes, o procedimento experimental tradicional, onde a
alimentação do sistema é realizada manualmente, é inviável, uma vez que não
existem as condições de controle de alimentação sincronizada com o sistema
operacional, somente no futuro poderá ser realizada uma otimização.
Com base no exposto, pode-se afirmar que, apesar da média dos tamanhos dos grãos não ter
atingido o objetivo de estar entre 70 e 100 µm, os objetivos gerais deste trabalho foram
alcançados, visto que, o sistema mostrou-se eficiente no refino de grãos quando utilizado a
potência de 1500 W na condição de RPS, transformando a matéria-prima com média de tamanho
de grãos iniciais de 5 mm em 178 µm, média de tamanho de grãos próxima ao resultado
esperado. Ressalta-se apenas que somente em um posterior reaquecimento conseguiria a
globularização total da matéria-prima, a partir dos grãos dendríticos e refinados obtidos. Este
trabalho também apontou caminhos a serem estudados no futuro, para otimização do processo de
obtenção de lingotes e de entendimento dos fenômenos que envolvem o refino de grãos com
utilização da agitação eletromagnética em ligas de Al-Si.
Como sugestões para trabalhos futuros seguem relacionadas algumas considerações:
observa-se que devido à precisão necessária durante o vazamento, a necessidade de
desenvolvimento de um sistema de alimentação automatizado associado a um forno de
79
espera. Um sistema automatizado implicaria numa alimentação precisa e contínua sem
oscilações, reduzindo assim a interferência humana e otimizando a produtividade dos
lingotes. O forno de espera associado ao sistema de alimentação possibilitaria, ainda, uma
alimentação próxima da região de solidificação do lingote, fazendo com que o metal
ficasse menos tempo exposto à atmosfera, reduzindo assim a camada de óxido.
Estreitando-se a distância entre o metal líquido e o lingote, durante o lingotamento em
solidificação, sugere a possibilidade de utilização de menor superaquecimento para
vazamento, supostamente proporcionando uma melhor eficiência do sistema, no que se
refere à produtividade, refino de grãos e aspectos econômicos, pois a energia consumida
seria menor;
incluindo-se as condições de implementação sugeridas acima e não menos importante é o
desenvolvimento de sistema de detecção de “breakouts” em sistemas de lingotamento de
ligas de alumínio, para se evitar possíveis riscos físicos ao operador e paradas para
manutenção do equipamento;
como maneira de se aprofundar os conhecimentos sobre a influência da rugosidade da
cavidade do molde no processo de lingotamento contínuo seria interessante, em estudos
posteriores, estabelecer uma relação entre rugosidade e microestrutura;
quanto à evolução da microestrutura em função do campo magnético aplicado durante a
solidificação, seria interessante no decorrer do lingotamento contínuo a alternância
crescente da campo magnético com pequenos acréscimos de campo, seguidos de etapas
de estabilização para o sistema entrar em regime, este procedimento seria repetido várias
vezes, em vários diâmetros, para obtenção de lingotes para estudo, e a firmação de um
ponto, onde ocorreria uma otimização do campo magnético através do estabelecimento de
uma relação campo magnético/volume de metal a ser refinado.
80
REFERÊNCIAS
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87
APÊNDICE A – PERFIS DE RUGOSIDADE ENSAIADOS
Perfil de rugosidade obtido com acabamento superficial da cavidade do molde com Ra de 1,06.
Perfil de rugosidade obtido com acabamento superficial da cavidade do molde com Ra de 0,178.
Perfil de rugosidade obtido com acabamento superficial da cavidade do molde com Ra de 0,06.
88
ANEXO A – RUGOSIDADE SUPERFICIAL
O acabamento superficial é um parâmetro importante no projeto de um molde para
lingotamento pois exerce influencia direta na transferência de calor, sendo assim, segue de forma
sucinta uma definição da unidade de rugosidade utilizada no presente trabalho. Para medição da
rugosidade no Brasil a ABNT determina a utilização do sistema M. No sistema M ou linha
média, todas as grandezas de medição da rugosidade são definidas a partir do seguinte conceito
de linha média: linha paralela a direção de perfil, no comprimento de amostragem, de tal modo
que a soma das áreas superiores, compreendidas entre ela e o perfil efetivo, seja igual a soma das
áreas inferiores, no comprimento de amostragem L (AGOSTINHO et al, 2013).
Descrição do sistema de linha média (AGOSTINHO et al., 2013)
O Ra, rugosidade média, se utiliza do sistema M é exatamente a altura de um retângulo cuja
área é a soma absoluta das áreas delimitadas entre o perfil de rugosidade e a linha média, tendo
por comprimento o percurso de medição (lm). Também é chamado de CLA (Center Line
Average) e AA (aritmética Average) (SUGA, 2007). Desejando-se dar um tratamento
matemático mais preciso adota-se a equação e a figura a seguir.
89
∫| |
Ou então, aproximadamente,
∑| |
Descrição do conceito de Ra (SUGA, 2007).