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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 02: Fundamentos da Solidificação dos Metais 1. Introdução Diferenças entre sólidos e líquidos Eventos que caracterizam a solidificação. Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação. Importância da solidificação na tecnologia de fundição. 4.Macro e Microestruturas de Solidificação Tipos de macroestruturas. Influência dos parâmetros de processo. Relações estruturas vs. Velocidade de solidificação. Fatores que influenciam na velocidade de solidificação. 2. Nucleação da Fase Sólida Nucleação Homogênea O conceito de Curvas de Resfriamento Nucleação Heterogênea Aplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea 3. Crescimento da Fase Sólida Modelos de Crescimento Crescimento com interface plana – solidificação progressiva Crescimento com interface dendrítica – solidificação extensiva Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas Diferenças entre Líquidos e Sólidos LÍQUIDOS SÓLIDOS Átomos apresentam alta energia cinética Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa Ordem de curto alcance Arranjados numa ordem de longo alcance 1 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Metal Líquido Nucleação Crescimento Velocidade de Solidificação Composição Química Gradientes Térmicos Redistribuição de Soluto Morfologia da Interface S/L Estrutura Segregação Defeitos Metal Sólido Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Influência da Taxa de Resfriamento sobre a Microestrutura de Solidificação 10 Microestruturas Convencionais Dendritas, Eutéticos Grosseiros e outros constituintes Microestruturas Refinadas Espaçamentos Dendríticos e Eutéticos Finos, e outros microconstituintes 102 Líquido 104 106 108 Novas Microestruturas Taxa de Resfriamento (K/s) Estruturas Microcristalinas Estruturas Cristalinas Metaestáveis Estruturas vítreas ou amorfas 2 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. SOLIDIFICAÇÃO Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance Retirada de Energia Térmica (Resfriamento) Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. SOLIDIFICAÇÃO • A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica ⇒ ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto. ⇓ Ocorrência de Heterogeneidades 3 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas • Físicas : • Químicas: • Rechupes • Trincas de Contração • Porosidades • Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica). • Tipos • Estruturais: • Distribuição • Tamanho Dos Grãos ou Cristais. • Natureza Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Heterogeneidades Fisicas Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Defeitos Fisicos DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL. • Rechupes Contração na Solidificação • Trincas de Solidificação Modelo de Solidificação Projeto • Porosidades Gases Dissolvidos no Metal Liquido 4 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Micrografia mostrando Rechupe - defeito devido à contração na solidificação, aumento 100X. Rechupe devido a contração na região de ponto quente. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, aumento 50X. 5 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Trincas de Solidificação Trinca formada em um canto do fundido, local onde as tensões internas são mais intensas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição • Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação • Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação (rechupes, trincas, porosidades) e às heterogeneidades de composição química (segregações). • Otimização e controle das variáveis do processo. • Desenvolvimento de novos materiais e processos. 6 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Como todas as transformações de fase, a solidificação se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação e Crescimento de uma nova fase em meio à anterior. Nucleação Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos. Crescimento Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Nucleação Homogênea • Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido. • Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico. Superesfriamento Térmico ⇒ Fase Líquida Superesfriada Térmicamente ⇒ Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis. Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida. 7 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFICAÇÃO Temperatura (0C) Temperatura de Vazamento - Tv Temperatura de Nucleação - TN Temperatura de Solidificação - TS ∆T L L+ S S Tempo de Solidificação ∆T = TS – TN tempo Superesfriamento Térmico Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Nucleação Heterogênea • Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável). ⇓ Condição mais favorável para a nucleação O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de superfície ali disponível. 8 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos com alta potência de nucleação (sob a forma de partículas finamente divididas). Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado Cada partícula do NUCLEANTE atua como um SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de molhamento pelo metal líquido. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Crescimento da Fase Sólida Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o sólido. Mecanismos de Crescimento • Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva • Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva 9 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Interface Plana Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Interface Celular Interface Dendrítica Nucleação Independente Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Crescimento com Interface Lisa ou Solidificação Progressiva Líquido Sólido A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas. 10 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva Metal Líquido Metal Semi-Sólido Metal Sólido A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido). Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas ( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação) Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO ⇒ Camada periférica composta de pequenos grãos com orientação cristalográfica aleatória. • Zona Colunar ⇒ Formada por grãos alongados que se alinham paralelamente à máxima extração de calor. Os grãos se formam por crescimento seletivo e preferencial • Zona Equiaxial Central ⇒ Formada por grãos equiaxiais pequenos ou grandes com orientação cristalográfica aleatória. • Zona Coquilhada (Chill) 11 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Macroestrutura de um lingote de Al puro Macroestrutura de um lingote da liga Al6Mg Estrutura 100%Colunar Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Estrutura 100%Equiaxial Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Influência dos parâmetros do processo e do material sobre a formação da macroestrutura Parâmetro ↓ Zona Coquilhada Zona Colunar Zona Equiaxial ↑ Grau de Superaquecimento Uso de massalotes Agitação do líquido ↑ % de Soluto Adição de Inoculante ↑ Extração de Calor 12 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Efeito do Grau de Superaquecimento sobre a Bruta de Fusão do Al Puro S = 70 0 C Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran S = 120 0 C Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. COMPARAÇÃO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO Al Puro Estrutura formada por grãos colunares. Al 6Mg Estrutura formada por grãos equiaxiais 13 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA EM FUNÇÃO DE VARIAÇÕES NO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO E DO USO OU NÃO DE REFINADOR DE GRÃO Tv = 8150C S/ REFINO C/ REFINO Tv =7500C Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas, especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente relacionadas com a velocidade de solidificação. A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo de fundição utilizado e de características das pecas. FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAÇÃO: • Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. • Dinâmica do Processo: gravidade x pressão. • Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas. 14 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Areia Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas. Coquilha Sob Pressão Velocidade de Resfriamento Tamanho dos Grãos 15