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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO – MATERIAIS E PROCESSOS
JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO
CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS
DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM
TEORES DE COBRE
Belém – Pará – Brasil
Dezembro 2007
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ii
JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO
CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS
DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM
TEORES DE COBRE
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,
área de Materiais e Processos, da
Universidade Federal do Pará como
requisito para obtenção do Título de Mestre
em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma.
Belém – Pará – Brasil
Dezembro 2007
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iii
___________________________________________________________________
L799c Lobo, João Bosco de Andrade
Correlação entre as propriedades mecânicas e elétricas da liga AL-0,4%SI-
0,6%Mg não refinada, modificada com teores de cobre / João Bosco de Andrade
Lobo; orientador, José Maria do Vale Quaresma.-2007.
Dissertação (mestrado) –Universidade Federal do Pará, Instituto de
Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Belém,
2007.
1. Solidificação. 2. Ligas de alumínio – propriedades mecânicas. 3. Ligas de
alumínio – propriedades elétricas. I. Título.
CDD – 22. ed. 669.94
____________________________________________________________________
iv
JOÃO BOSCO DE ANDRADE LOBO
CORRELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS
DA LIGA AL-0,4% SI-0,6% Mg NÃO REFINADA, MODIFICADA COM
TEORES DE COBRE
Dissertação submetida para a obtenção do Título
de Mestre em Engenharia Mecânica no Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal do Pará.
Belém-Pará, 17 de Dezembro de 2007.
BANCA EXAMINADORA:
_______________________________________________________
Orientador Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma
Universidade Federal do Pará
_______________________________________________________
Prof. Dr. Carlos Alexandre dos Santos
NUCLEMAT – PGETEMA - PUCRS
_______________________________________________________
Prof. Dr. Eduardo Magalhães Braga
Universidade Federal do Pará
v
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho primeiramente a Deus, a minha esposa e grande
companheira Oscarina da Silva Passos, pelo seu apoio e paciência, aos meus
pais Milton Lobo e Maria José de Andrade Lobo, a minha cunhada Odila da Silva
Passos Ventura e aos meus irmãos e irmãs. Com muito amor e carinho.
vi
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ter me concedido o dom da vida, saúde, discernimento e força
em todos os momentos.
A minha esposa e aos meus pais pelo apoio e compreensão e, sobretudo,
pelo amor a mim dedicado durante o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Dr. José Maria do Vale Quaresma pela orientação, durante a
realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Petrônio Medeiros Lima pelo apoio e principalmente pela sua
amizade.
Ao Museu Emílio Goeldi, em especial ao Prof. Dr. Hilton Túlio Costi.
Aos amigos integrantes da Comunidade Católica Shalom de Belém.
Ao Coordenador Prof. Ph. D. Manoel Fernandes Martins Nogueira e Vice-
Coordenador Prof. Dr. Daniel Onofre de Almeida Cruz do Programa de Pós-
Graduação de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia da Universidade
Federal do Pará.
A Universidade Federal do Pará.
Ao Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica do Instituto de
Tecnologia da Universidade Federal do Pará.
Ao Grupo de Pesquisa em Engenharia de Materiais (GPEMAT) da UFPA,
em especial ao Johnyson P. Feitosa, Washington L. R. Santos, Manoelson
Pereira das Mercês, Aline Emanuelle Moreira Albuquerque.
A Empresa Municipal de Transportes Urbanos (EMTU) de Macapá, pela
oportunidade de realização deste trabalho.
A ALUBAR pelo apoio técnico.
vii
“Todos vós, em vosso mútuo tratamento,
revesti-vos de humildade; porque Deus
resiste aos soberbos, mas dá a sua graça
aos humildes”.
( I Pd 5, 5)
viii
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo avaliar a estrutura e as propriedades
mecânicas e elétricas da liga AA 6101, quando modificado o seu teor de cobre em
pequenas quantidade, através das correlações obtidas na sua conformação
mecânica (laminação e trefilação), ensaios de tração e condutividade elétrica.
Para a determinação destas características foram produzidas duas ligas de
diferentes teores de cobre, vazados em um molde unidirecional e outro em perfil
“U”. Na solidificação unidirecional foram obtidas as variáveis térmicas
experimentais, como velocidade e taxa de resfriamento. Os corpos de prova
retirados dos lingotes passaram pelos processos de usinagem, laminação e
trefilação, analisados em diferentes posições e diâmetros, através do ensaio de
tração e condutividade elétrica. Também se analisa a fratura em função da
microestrutura e diferentes concentrações de teores de cobre. Observou-se que
para menores teores de cobre na liga houve uma melhora no limite de resistência
mecânica (LRT), isso, tanto em relação aos corpos de prova do molde
unidirecional e do molde em “U”. No que diz respeito à condutividade elétrica, o
material de menor teor de cobre, também se apresenta com melhores resultados,
isso para os dois casos (molde unidirecional e do molde em “U”). Ao examinar as
fraturas observou-se um decrescimento das micro cavidades a medida que
aumenta o teor de cobre nas ligas.
Palavras-Chave: Deformação a Frio, Condutividade IACS, Ligas AA 6000
ix
ABSTRACT
The main of this research is evaluate the structure and mechanical and
electrical properties of AA6101 alloy, when is modified with cooper contents, by
the relations obtained by forming (rolling and drawing), tension test and power
conductivity. To determine those characteristics were done two alloys with
different cooper contents, it poured out in directional mold and “U” shape mold. By
the directional solidification were obtained experimental thermal variables, as
solidification speed and cooling rate. The specimens was submitted by
machining, rolling and drawing process, analyzed in different cut positions and
diameters, by the tensile test and by power conductivity calculated. The alloys
were analyzed also by fracture microstructure and different copper contents. It was
observed that alloys with smaller copper contents the tensile strength increased,
such the directional solidification specimens than “U” mold specimens. In relation
to power conductivity, the alloy with smaller copper content show satisfactory
results, for tow cases (directional mold and “U” mold). By analyzing the
microstructures it observed a decreasing of dimples when additions of copper
contents increasing on alloys.
Key Words: Cold Forming, IACS Power Conductivity, AA6000 Alloys.
SUMÁRIO
Capítulo 1
1. INTRODUÇÃO 1
1.1. Considerações Iniciais 1
1.2. Objetivo 1
Capítulo 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3
2.1. Ligas de Alumínio 3
2.2. Fundição 6
2.3. Solidificação 6
2.4. Tipos de Dispositivos para Solidificação 8
2.4.1. Solidificação Unidirecional Horizontal 8
2.4.2. Dispositivos para Solidificação em “U” 9
2.5. Parâmetros Térmicos na Solidificação 10
2.6. Solidificação Direcional 11
2.7. Microestruturas de Solidificação 11
2.8. Estrutura de Solidificação e Propriedade Mecânica 14
2.9. Materiais Laminados 15
2.10. Materiais Trefilados 15
2.11. Encruamento 16
Capítulo 3
3. MATERIAIS E MÉTODOS 17
3.1. Dimensionamento da Câmera de Vazamento do Dispositivo de
Solidificação Unidirecional Horizontal 17
3.2. Equipamentos para Obtenção de Dados do Dispositivo de
Solidificação Unidirecional Horizontal
18
3.3. Dimensionamento do Molde do Dispositivo de Solidificação em “U” 18
3.4. Caracterização de Ligas 19
3.5. Elaboração das Ligas de Alumínio para Fundição 21
3.6. Utensílios Operacionais 26
3.7. Procedimentos para Obtenção dos Tempos de Passagem das
Isotermas por Posições Específicas para o Sistema Unidirecional. 27
3.8. Determinação da Taxa de Resfriamento 28
3.9. Preparação dos Corpos de Prova (CP) 29
3.9.1. Molde Unidirecional Horizontal 29
3.9.2. Molde “U” 31
3.10. Caracterização Mecânica dos Materiais 32
3.11. Caracterização Elétrica dos Materiais 33
3.12. Procedimento de Limpeza das Amostras para Análise no MEV 34
3.13. Método Utilizado para Leitura das Micro Cavidades 34
3.14. Fluxograma do Processo das Atividades Experimentais 36
Capítulo 4
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 37
4.1. Obtenção da Composição Química do Material 37
4.2. Caracterização Térmica para o Dispositivo Unidirecional 37
4.2.1. Curvas de Resfriamento das Ligas 37
4.2.2. Velocidade de Resfriamento (V
L
) 39
4.2.3. Taxa de Resfriamento 42
4.3. Caracterização Mecânica do Material Fundido para o Dispositivo
Unidirecional 43
4..3.1. Relação entre o LRT, e as Dimensões “Dimples” do fundido 43
4.4. Caracterização Mecânica das Amostras Solidificadas
Unidirecionalmente e Laminadas 45
4.4.1. Relação entre o LRT e a Dimensão das Micro Cavidades das
Amostras 46
4.5. Caracterização Elétrica das Amostras Laminadas Obtidas no Molde
Unidirecional 47
4.5.1. Resistência Elétrica das Ligas 48
4.5.2. Resistividade Elétrica das Ligas 49
4.5.3. Condutibilidade Elétrica das Ligas 50
4.5.4. Síntese dos Resultados da Caracterização Elétrica das Ligas Al005
e Al03 laminadas 51
4.6. Caracterização Mecânica e Elétrica dos Materiais Laminados e
Trefilados para o Dispositivo “U” 52
4.6.1. Síntese dos Resultados da Caracterização Mecânica e Elétrica das
Ligas Al005 e Al03 Laminadas e Trefiladas 55
Capítulo 5
5. CONCLUSÕES. 56
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 58
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 2
Figura 2.1. Encadeamento de fenômenos durante a solidificação de um
metal.
7
Figura 2.2. Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal. 9
Figura 2.3. Dispositivo de solidificação em “U”. 9
Figura 2.4. Elemento de referência representativo do sistema metal/molde. 10
Figura 2.5. Modos de transferência de calor atuantes no sistema
metal/molde. 11
Figura 2.6. Representação esquemática da microestrutura do fundidos. 12
Figura 2.7. Localização de corpos de prova de tração em relação à direção
de crescimento dendrítico. 14
Capítulo 3
Figura 3.1. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde, adaptadação da
figura Quaresma: vista superior e lateral da câmara de vazamento.
17
Figura 3.2. Termopares tipo “K”, utilizados para a coleta dos dados térmicos
(a); equipamentos de aquisição de dados (b). 18
Figura 3.3. Molde em “U”: principais medidas (a); dispositivo de solidificação
bipartido (b).
19
Figura 3.4. Diagrama de fases do sistema Al–Si (a); Seqüência
esquemática para confirmação da liga (b). 20
Figura 3.5. Curva experimental de resfriamento da liga analisada. 21
Figura 3.6. Serra elétrica, Laboratório de Mecânica/UFPa. 22
Figura 3.7. Acessórios e Equipamento para Fusão das Ligas: Balança (a),
Cadinho (b) e Forno elétrico (c). 23
Figura 3.8. Injeção de gás inerte (argônio) (a); Regulador de vazão (b). 23
Figura 3.9. Aparato experimental para os vazamentos: em molde
unidirecional (a); em molde “U” (b). 24
Figura 3.10. Lingotes obtidos na solidificação: em unidirecional com
termopares posicionados para registro de temperatura (a); em molde em
“U” (b). 25
Figura 3.11. Retirada da amostra testemunho. 25
Figura 3.12. Espectrômetro de massa(a); leitura na amostra testemunho(b).
26
Figura 3.13 Desenho esquemático representando o sistema de aquisição de
dados para construção dos perfis térmicos (CRUZ, 2004). 27
Figura 3.14. Esquemas para determinação da Isoterma Liquidus na posição
45,0 mm. 28
Figura 3.15. Esquemas representativos para determinação da na posição
45,0 mm. 28
Figura 3.16. Corpos de Prova: Definição das posições para a fabricação dos
corpos de prova. 29
Figura 3.17. Obtenção do CP: Barras de secção quadrada para cada lingote
(a); usinagem do CP, Metalúrgica Lugtak (b). 30
Figura 3.18. Laminador elétrico, laboratório de Mecânica/UFPa. 30
Figura 3.19. Corpos de prova usinados, laminados. 31
Figura 3.20. Lingote “U” seccionado (a); CP de secção circular (b). 31
Figura 3.21. Trefilador, ALUBAR. 32
Figura 3.22. Corpo de prova trefilado. 32
Figura 3.23. Ensaio de tração Modelo Kratos com célula de carga de 500 e
3000 Kgf.
33
Figura 3.24. Fotos do conjunto componentes da ponte de Kelvin
utilizada para medir a resistência elétrica. 33
Figura 3.25. Ultra som modelo METASOM – 14. 34
Figura 3.26. Microscópio Eletrônico de Varredura MEV 34
Figura 3.27. Leitura dos “dimples” pelo método do intercepto (norma NB-
1323 da ABNT). 35
Figura 3.28. Fluxograma atividades experimentais. 36
Capítulo 4
Figura 4.1. Curva experimental de resfriamento da liga Al005 38
Figura 4.2. Curva experimental de resfriamento da liga Al03. 38
Figura 4.3. Evolução comparativa das isotermas liquidus (a); velocidades
das isotermas das ligas de alumínio (b). 39
Figura 4.4. Velocidades das isotermas liquidus durante o processo de
solidificação das ligas Al005 e Al03. 40
Figura 4.5. Influência dos elementos de liga na viscosidade do alumínio (a);
variação do cobre versos silício na fluidez do alumínio (b).
41
Figura 4.6. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a
solidificação de ligas com intervalo de solidificação curto ou baixa fluidez . 41
Figura 4.7. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a
solidificação de ligas com intervalo de solidificação longo ou alta fluidez. 42
Figura 4.8. Evolução da taxa de resfriamento para as ligas Al005 e Al03. 43
Figura 4.9. Leitura da composição química do elemento cobre em peso nas
ligas fundida. 44
Figura 4.10. Relação dos “dimples” do fundido com o LRT em função das
posições. 45
Figura 4.11. Relação dos “dimples” do laminado com o LRT. 46
Figura 4.12. Leitura da composição química do elemento cobre em peso na
liga laminada. 47
Figura 4.13. Comparação entre as resistências dos CP para as ligas
estudadas.
49
Figura 4.14. Comparação entre as resistividades dos CP para as ligas
estudadas. 50
Figura 4.15. Comparação entre as condutibilidades dos CP para as ligas
estudadas. 51
Figura 4.16. Relação dos “dimples” da redução com o LRT na deformação
das ligas. 53
Figura 4.17. Resistividade em função da redução dos fios estudados. 54
Figura 4.18. IACS em função do diâmetro dos fios estudados. 54
LISTA DE TABELAS
Capítulo 1
Tabela 2.1. Sistema de classificação da AA - The Aluminum Association Inc. 4
Capítulo 3
Tabela 3.1. Limites Admissíveis das Ligas 6101 (ROOY,1992) 21
Tabela 3.2 - Faixas Admissíveis das Ligas 6101 (ROOY,1992)
Capítulo 4
Tabela 4.1. Composição Química da Liga de Alumínio 6101 37
Tabela 4.2. Caracterização Elétrica da Liga Al005 Laminada 51
Tabela 4.3. Caracterização Elétrica da liga Al03 Laminada 52
Tabela 4.4. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al005 55
Tabela 4.5. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al03 55
SIMBOLOGIA
SÍMBOLO
SIGNIFICADO UNID.
A área de secção transversal Mm
2
d diâmetro mm
P posição mm
P pressão Pa
Pos posição mm
R resistência m/ohm
R
1
resistência a t
0
C Ω
R
20
resistência a 20
0
C Ω
Rv resistência elétrica por unidade de comprimento a 20
0
C Ω/m
t tempo s
T temperatura C
T
L
temperatura da linha liquidus K
•
Τ
taxa de resfriamento K/s
V
L
velocidade de deslocamento da isoterma liquidus mm/s
∆t intervalo de tempo s
∆T intervalo de temperatura C
λ
1
espaçamentos dendríticos primários (EDP) µm
λ
2
espaçamentos dendríticos secundários (EDS) µm
δ tensão MPa
ρ
c
resistência volumétrica Ω x mm
2
/m
SUB-ÍNDICES
SIMBOLO SIGNIFICADO
L líquido ou liquidus
S sólido ou solidus
α
coeficiente de variação de resistência
K Termopar
1
Capítulo 1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Considerações Iniciais
As ligas de alumínio são bastante utilizadas em diversas aplicações industriais,
graças a sua elevada resistência e solidez. O cobre, o magnésio e o silício são
alguns dos elementos que mais se prestam a formar liga com o alumínio por suas
elevada solubilidades no mesmo.
Na solidificação a eficiência da extração de calor durante o processo depende,
basicamente, das propriedades térmicas do metal, das características do molde, das
condições da interface metal/molde e das características do meio que vai absorver o
calor . No início do processo, quando o metal está líquido, o contato térmico é mais
efetivo devido a sua fluidez e aos efeitos inerentes à pressão metalostática. A
solidificação está presente nos diversos processos de fabricação mecânica de
produtos metálicos. Na fundição, que fornece produtos na forma definitiva
necessitando apenas de processos de usinagens; no lingotamento, que fornece o
material que será utilizado em processos de conformação mecânica através de
deformação plástica (laminação, trefilação, etc.), na soldagem; permitindo a união de
peças e/ou componentes, na utilização como técnica de tratamento superficial.
1.2. Objetivo
O objetivo deste estudo é investigar a influência de diferentes teores de cobre
na liga Al-0,6%Mg-0,4%Si, da série AA6101 - sem refinador de grão, para fins de
transmissão e distribuição de energia elétrica, utilizando-se para isso as correlações
entre as variáveis térmicas, análise de microestruturas, conformação mecânica
2
(laminação e trefilação), ensaios de tração e condutividade elétrica.
Objetivos específicos:
1. Mapear a solidificação no dispositivo unidirecional horizontal.
2. Verificar a evolução das microestruturas na conformação mecânica do
material.
3. Analisar o efeito da variação da posição e o diâmetro no molde
unidirecional.
4. Analisar o efeito da redução dos diâmetros nas propriedades mecânicas
e elétricas dos materiais no molde “U”.
.
3
Capítulo 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Ligas de Alumínio
As ligas de alumínio da série 6xxx são utilizadas em uma ampla variedade de
aplicações, desde o uso em perfis de arquitetura, como é o caso das ligas mais
diluídas e conseqüentemente de menor resistência mecânica, como a 6063 e a
6060, até as chamadas ligas de aplicação estrutural com maiores teores de
elementos de liga e maior dureza, como a 6061 e a 6351, com grande potencial de
aplicação na indústria automobilística (BLECIC et al,1992). As novas ligas Al-Mg-Si-
Cu podem não só substituir as tradicionais ligas Al-Mg-Si de aplicação estrutural
(como a 6061), como também podem ser usadas em várias aplicações na indústria
aeronáutica, ainda reservadas às ligas Al-Cu e Al-Zn-Mg. As ligas 6101 e 6201 são
as mais utilizadas da série 6xxx, no fabrico de fios e cabos para transmissão (Tx) e
distribuição (Dx) de energia elétrica, almejando-se entre outras propriedades, uma
condutividade elétrica de aproximadamente 57% IACS (International Annealed
Copper Standard) após tratamento térmico.
A conquista de um espaço cada vez maior na indústria de condutores
elétricos pelas ligas Al-Mg-Si-Cu é alavancado pelas significativas vantagens no uso
de fios e cabos de liga no lugar dos tradicionais cabos de alumínio com alma de aço
para o transporte e distribuição de energia, entre estas vantagens tem-se: maior
resistência a ambientes salinos; maior leveza; maior condutividade para mesma
seção transversal; similar resistência mecânica; maior facilidade a serem reciclados
e menores custos de produção comparados ao custo dos condutores de alumínio
com alma de aço.
4
A Tabela 2.1 abaixo mostra o sistema de classificação da The Aluminum
Association Inc. , para os elementos de liga do alumínio.
Tabela 2.1: Sistema de classificação da AA – The Aluminum Association Inc.
Série Elemento(s) de liga
principal(is)
Outros elementos de
liga
1xxx Alumínio puro -
2xxx Cu Mg , Li
3xxx Mn Mg
4xxx Si -
5xxx Mg -
6xxx Mg , Si -
7xxx Zn Cu, Mg, Cr, Zr
8xxx Sn, Li, Fe, Cu, Mg -
9xxx Reservado para uso futuro -
As ligas da série 6XXX, são ligas ternárias tratáveis termicamente contendo
como principais elementos o magnésio e o silício. Combinam importantes
características como boa resistência à corrosão e trabalhabilidade e boa
soldabilidade. A adição de silício e magnésio pode variar de 0,3 até 1,2% em peso, e
através de um processo de tratamento térmico, estes dois elementos se precipitam
na forma de partículas de silicato de magnésio (Mg
2
Si), aumentando a resistência do
material por intermédio do “endurecimento” por precipitação ou envelhecimento
(SPIM JR, 2003).
Os elementos mais comumente encontrados nas ligas comerciais de alumínio
são silício, cobre, magnésio e zinco. Todos esse elementos, com exceção do Si
apresentam valores significativos de solubilidade sólida no alumínio, e em todos os
casos a solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. As adições de
elementos de liga são importantes nas ligas de fundição devido à melhoria das
características de fundição, tais como aumento da fluidez e redução da fragilidade à
quente e, também, devido à melhoria da resistência mecânica e trabalhabilidade. A
busca por aprimoramentos de propriedades culminou no desenvolvimento de
5
inúmeras ligas com as mais diversas combinações de elementos (GARCIA,2001;
ROOY,1992).
Sendo que seus principais elementos da liga e seus efeitos serão a seguir
considerados: a) Silício: utilizado em até 13%, é o elemento mais usado
comercialmente nas ligas para fundição. Aumenta a fluidez do alumínio líquido
permitindo que ele flua através de delgadas paredes na cavidade do molde
reproduzindo detalhes mais delicados. Diminui a porosidade e o coeficiente de
expansão térmica e em teores altos, torna difícil a usinagem. Quando combinado
com o magnésio pode melhorar muito a resistência mecânica, por tornar a liga
tratável termicamente. As ligas de alumínio com silício apresentam um eutético com
cristais de silício em forma de placas finas que contribuem fortemente para o
decréscimo da dutilidade da liga; b) Cobre: Aumenta consideravelmente a
resistência mecânica e a dureza do fundido, tanto antes como depois do tratamento
térmico, é bastante solúvel no alumínio. Diminui a contração interna de solidificação
e melhora a usinabilidade e a dureza do fundido, tanto antes como depois do
tratamento térmico. Todavia, em comparação com a fundibilidade obtida com o
silício, o cobre é inferior por proporcionar fragilidade à quente e redução da fluidez;
c) Magnésio: com as mesmas características de solubilidade do cobre, o magnésio é
a base para o aumento de resistência mecânica e dureza após tratamento térmico
das ligas Al-Si. A presença do magnésio torna difícil a fundição devido a tendência a
oxidação e conseqüente formação de escória o que também faz cair os teores de
silício, cobre e outros elementos; d) Ferro: algumas vezes é adicionado para reduzir
a contração. Age também como refinador de grão, com exceção nas ligas à base de
silício fundidas em areia. Nas fundidas sobre pressão diminui o agarramento ao
molde. O teor de ferro, nestes casos, deve estar entre 0,15 e 1,2% (GOMES, 1976).
6
2.2. Fundição
O objetivo fundamental da fundição é o de dar forma adequada ao metal,
vertendo-o em estado líquido dentro da cavidade de um molde com a forma
desejada, o próprio molde retira calor do metal líquido provocando sua solidificação
e fixando sua forma inicial. Apesar da extrema simplicidade desse objetivo, a
solidificação do metal no molde não se efetua de modo passivo, como pode parecer
a primeira vista, a transformação líquido-sólido por que passa o metal é de natureza
ativa e dinâmica, já que durante a mesma ocorrem diversos eventos que, se não
forem devidamente controlados, podem comprometer o desempenho do produto
final ou, até mesmo, interromper a seqüência de fabricação. Tais eventos podem dar
origem a diversos tipos de heterogeneidades que interferem drasticamente na
qualidade metalúrgica do produto final (PRATES et al, 1978).
2.3. Solidificação
A solidificação é um processo de transformação de fase na qual uma certa
quantidade de calor latente é liberada pelo material no estado líquido para
possibilitar a nucleação e o crescimento da fase sólida (PRATES et al, 1974).
O fenômeno da solidificação dos metais apresenta-se em dois aspectos, a
saber: a) metalúrgico, ligado à composição química do metal; b) térmico, relativo à
história térmica anterior do metal, ou seja, como o calor foi transferido do interior da
peça para o meio ambiente, a cada instante do processo. A interação entre estes
dois aspectos determinará as características da microestrutura do metal solidificado.
Observa-se através da Fig. 2.1 que os aspectos da microestrutura dependem
fortemente das condições de solidificação, desde o início do processo com o metal
no estado líquido. A dinâmica do processo de solidificação é que determina a
microestruturas resultante, que por sua vez influenciam as propriedades finais do
7
fundido. Desta maneira é necessário conhecer as informações relativas aos
aspectos relacionados durante todo o processo de solidificação, que vão desde a
temperatura de vazamento, o tratamento do metal líquido; a forma de preenchimento
do molde (através do controle de intensidade das correntes convectivas), material e
formato do molde (responsável pela capacidade de absorção de calor) e se o molde
deve ser pré-aquecido, refrigerado ou estiver na temperatura ambiente. Esses
fatores que terão influência na taxa de resfriamento e, portanto determinarão o grau
de refino da estrutura (GARCIA, 2001).
Metal Líquido
Nucleação
Crescimento
Composição Química
Velocidade de
Solidificação
Gradientes
Térmicos
Taxa de Resfriamento
Rejeição de Soluto
Morfologia da
Interface S/L
Mistura de Soluto
no Sólido e Líquido
Defeitos
Estrutura Segregação
Metal Solificado
Produto Final
Figura 2.1. Encadeamento de fenômenos durante a
solidificação de um metal (GARCIA, 2001).
8
2.4. Tipos de Dispositivos para Solidificação.
Para avaliar as ligas, foram utilizados dois tipos de dispositivo de solidificação,
como pode ser visto a seguir:
2.4.1. Solidificação Unidirecional Horizontal.
Na Fig. 2.2, apresenta-se um dispositivo de solidificação horizontal, no qual o
processo de solidificação pode ser conduzido de duas maneiras distintas: na
primeira, a partir do vazamento de metal líquido dentro de molde isolado
termicamente, sendo o calor extraído somente por uma das paredes que pode ser
constituída de um bloco maciço metálico ou de uma câmara de resfriamento a água.
Nesse caso, a turbulência do vazamento induz correntes de convecção forçada que
levam algum tempo para se dissipar e agem com intensidades diferentes ao longo
da secção do lingote. Num segundo caso, o processo é conduzido por um sistema
semelhante ao primeiro, porém que permita fundir o metal em seu interior até que
uma temperatura seja alcançada, a partir da qual inicia-se a solidificação por
refrigeração. Nessa situação garante-se, com a fusão do metal dentro do molde,
uma maior estabilidade em relação ao movimento de metal líquido. Entretanto, é
importante ressaltar que não se podem garantir as mesmas variáveis térmicas de
solidificação ao longo de diferentes secções horizontais da base ao topo do lingote,
já que instabilidades térmicas e diferenças de massa específica no líquido irão
induzir correntes convectivas, que serão diferentes ao longo dessas secções.
O mapeamento térmico da evolução da solidificação deve ser feito em
uma secção horizontal o mais próximo possível do local de onde serão retiradas as
amostras para análise da macroestrutura e da microestrutura (Quaresma,1999;
Quaresma, 2000; Osório, 2000; Osório, 2002; Osório, 2003).
9
Figura 2.2. Dispositivo de solidificação unidirecional horizontal, (GOULART,2005).
2.4. 2 - Dispositivos para Solidificação em “U”.
Esse dispositivo é feito pelo processo de molde permanente, consistindo em
duas partes que são convenientemente alinhadas e fechadas, de modo a obter
cavidade na forma cilíndrica. Com as paredes constituídas em aço, tendo perfil em
“U” e o canal de vazamento na forma cilíndrica. Fig. 2.3.
Figura 2.3. Dispositivo de solidificação em “U”.
O metal líquido é vazado no molde em forma convencional, e o
preenchimento da cavidade se dá pela ação da gravidade. Depois que a peça
solidifica, o molde é aberto e a peça é retirada manualmente.
10
2.5. Parâmetros Térmicos na Solidificação
A solidificação metálica pode ser considerada fundamentalmente como um
processo de transferência de calor em regime transitório. A transformação
líquido/sólido é acompanhada por liberação de energia térmica, com uma fronteira
móvel separando as duas fases de propriedades termofísicas distintas. A análise da
transferência de calor na solidificação apresenta essencialmente dois objetivos: a
determinação da distribuição de temperaturas no sistema material/molde e a
determinação da cinética da solidificação. Para melhor compreender essa análise a
Fig. 2.4 apresenta um esquema ilustrativo de uma situação física de solidificação de
um lingote mostrando um elemento de referência.
Figura 2.4. Elemento de referência representativo do
sistema metal/molde(ROCHA, 2003).
O elemento de referência indicado na Fig. 2.4 está representado
esquematicamente pela Fig. 2.5, que mostra em detalhe os modos de transferência
de calor presentes: condução térmica no metal e no molde; transferência newtoniana
na interface metal/molde; convecção no metal líquido e na interface molde/ambiente
e radiação térmica do molde para o meio ambiente.
11
Interface Interface Interface
Ambiente/Molde Molde/Metal Sólido/Líquido
VL
Figura 2.5. Modos de transferência de calor atuantes no
sistema metal/molde (GARCIA,2001).
Nas operações de fundição ou lingotamento, a utilização de diferentes tipos
de molde permite que alguns desses modos transitórios de transferência de calor
possam ser desprezados no cômputo global da energia térmica transferida.
2.6. Solidificação Direcional
A solidificação direcional é uma técnica que tem como objetivo principal
direcionar o fluxo de calor do metal em um molde para obtenção de uma estrutura
colunar. A solidificação direcional consiste em utilizar dispositivos que apresentam
um bom isolamento térmico nas laterais para evitar a extração de calor pelas
paredes do molde e impedir a possibilidade de nucleação de cristais nessas paredes
e à frente da interface de crescimento. Em algumas situações particulares, onde é
mais interessante produzir estruturas colunares, já que em algumas importantes
aplicações as tensões mais significativas se alinham unidirecionalmente ao longo de
um único eixo (GARCIA, 2001).
2.7. Microestruturas de Solidificação
No que diz respeito às características estruturais, os espaçamentos
interdendríticos têm maior nível de suscetibilidade às alterações nas taxas de
C = Convecção K = Condução R = Radiação N = Transferência Newtoniana
R
Ambiente
Molde
K
K
K
N
C
C
Lí
q
uido Sólido
12
resfriamento que o tamanho de grão. Este segundo depende muito mais do histórico
térmico do metal, ou seja, da presença ou não de refinadores de grão no banho
líquido, do superaquecimento, dentre outros fatores. Contudo, analisando de
maneira mais microscópica, nota-se que os espaçamentos interdendríticos
podem ter até maior influência sobre as propriedades mecânicas que o tamanho de
grão. Os espaçamentos interdendríticos formados afetam diretamente na
microsegregação e na ancoragem de inclusões, modificando as propriedades
mecânicas do material. Dentre as propriedades mecânicas dependentes da
microestrutura do material, citam-se o limite de escoamento, limite de resistência à
tração, alongamento, tenacidade, limite de resistência à fadiga, resistência à
fluência, resistência à corrosão e à abrasão, além das condutividades térmicas e
elétricas. Uma limitação em estabelecer correlações entre microestrutura e
propriedades mecânicas está nos diferentes aspectos microestruturais, mostrados
na representação esquemática da Fig. 2.6.
Segunda fase
intergranular
Porosidade
intergranular
Porosidade
interdendrítica
Segunda fas
e
interdendrítica
Braço dendrítico
primário
Contorno
de grão
Braço dendrítico
terciário
Braço dendrítico
secundário
Figura 2.6. Representação esquemática da microestrutura
do fundidos (QUARESMA, 1999)
13
No interior de cada grão cristalino existe uma rede de ramificações dendríticas
caracterizadas por baixas concentrações de soluto nos braços dendríticos e ricas de
soluto nos interstícios dendríticos, o que pode gerar certas condições que
termodinamicamente induzirão à formação de uma segunda fase ou decomposição
de uma fase metaestável, mesmo que a composição nominal da liga teoricamente
indique uma única fase (Quaresma,1999). Vê-se, assim, a importância do grau de
refino da estrutura dendrítica, tanto para estruturas brutas, quanto para estruturas a
serem tratadas termicamente. No primeiro caso, a distribuição mais uniforme das
segundas fase e de outros obstáculos ao escorregamento, favorece as propriedades
mecânicas, enquanto no segundo caso potencializa o tratamento. Nessas
condições, torna-se extremamente interessante determinar expressões que
correlacionem determinadas propriedades mecânicas com os parâmetros
estruturais, de maneira semelhante ao trabalho desenvolvido para ligas Al-Cu
(Quaresma, 1999), só que abordando também outros sistemas metálicos de
interesse industrial. Ter-se-ão assim, os espaçamentos dendríticos dependentes das
condições térmicas durante o processo de solidificação, por conseqüência, existirá
também uma estreita relação entre os parâmetros térmicos e propriedades
mecânicas. Encontram-se na literatura, diversos trabalhos nessa direção e que
podem ser agrupados, naqueles baseados em parâmetros térmicos e em relações
geométricas, chamados de modelos de natureza teórica e aqueles de natureza
empírica, baseados exclusivamente em resultados experimentais e de caráter mais
específico. Na literatura também se encontra um vasto conjunto de trabalhos
experimentais abordando a solidificação e a correspondente microestrutura formada
para uma série de ligas de importância para a tecnologia de fundição (SANTOS,
1997; OSÓRIO, 1998; QUARESMA,1999).
14
2.8. Estrutura de Solidificação e Propriedade Mecânica
Embora os aspectos metalúrgicos e mecânicos dos fatores que controlam a
microestrutura e que são determinantes na resistência mecânica e ductilidade de
ligas metálicas em seu estado bruto de solidificação sejam de análise complexa,
sabe-se que as variáveis de solidificação são fatores de extrema influência. As ligas
apresentam, dentro dos grãos cristalinos individuais, uma rede dendrítica com teor
de soluto que varia continuamente, uma complexa dispersão de segundas fases,
porosidade e inclusões. Além destes obstáculos ao escorregamento durante a
aplicação de esforços mecânicos, existem os contornos dos grãos como fatores
adicionais. Sabe-se que, à medida que o tamanho de grão diminui, há uma tendência
de aumento da resistência mecânica. Neste particular, pode-se citar a conhecida
equação de Hall-Petch, na qual a tensão de escoamento é proporcional ao inverso
da raiz quadrada do diâmetro do grão. A literatura aponta também o efeito do
espaçamento dendrítico como fator de influência, indicando que o grau de refino dos
espaçamentos dendríticos possa ser até mais influente sobre as propriedades
mecânicas do que o próprio tamanho de grão (GARCIA, 2005).
A Fig. 2.7, mostra uma representação qualitativa da busca desta correlação.
Figura 2.7. Localização de corpos de prova de tração em relação
à direção de crescimento dendrítico (GARCIA, 2001)
15
2.9. Materiais Laminados
Neste processo de conformação mecânica, o metal é forçado a passar entre
dois cilindros, girando no sentido oposto, com a mesma velocidade superficial,
distanciados entre si a uma distância menor que o valor da espessura da peça a ser
deformada. Ao passar entre os cilindros, o metal sofre deformação plástica; a secção
é reduzida.
O processo da laminação pode ser feito a frio ou a quente. Normalmente a
laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio
para as operações de acabamento. Um dos principais objetivos da laminação é obter
um produto final de boa qualidade, envolvendo principalmente as propriedades
mecânicas, condições superficiais e das macro e microestruturas do produto
laminado (BRESCIANI et al., 1985).
2.10. Materiais Trefilados
No processo de trefilação o fio metálico é tracionado, passando através de
uma ferramenta oca denominada fieira, onde sofre deformação plástica. Em
conseqüência dessa deformação, o diâmetro do fio é reduzido e seu comprimento é
aumentado. A finalidade do processo da trefilação é a obtenção de fios de
dimensões, acabamento superficial e propriedades mecânicas controladas.
Na produção de pequenos diâmetros (fios, arames etc.), pode-se empregar o
tipo de máquina rotativa, eventualmente vários conjuntos deste tipo podem operar
em série para obter diâmetro menores. Quase todos os metais não-ferrosos são
trefilados a frio, sofrendo portanto variações nas suas propriedades mecânicas,
devido ao encruamento do fio, sendo aumentado seu limites de escoamento e
resistência a tração e diminuindo o seu alongamento. Nas condições onde se deseja
uma grande variação de secção, é necessário fazer o recozimento do metal numa
16
determinada etapa do processo, quando o metal atingir um grau de encruamento
demasiadamente elevado. Assim, o fio volta a ter a dutilidade necessária para o
prosseguimento das reduções (BRESCIANI et al., 1985).
2.11. Encruamento
Um cristal metálico sofre um processo de encruamento quando deformado
plasticamente. O fenômeno de encruamento pode ser representado numa curva
tensão de cisalhamento versus deformação tangencial (decompostos no plano e na
direção de deslizamento), onde se observa a elevação da tensão com o aumento da
deformação (JORGE, 1997).
O encruamento é tanto maior quanto maior for à dificuldade das discordâncias
móveis caminharem e vencerem os campos de tensão gerados na rede cristalina
pelos outros defeitos anteriormente armazenados. Quando os materiais são
plasticamente deformados, discordâncias são geradas, com a continuidade da
deformação, as discordâncias movem-se em seus sistemas de escorregamento. As
interações entre estes sistemas e contornos de grão ou qualquer obstáculo
substancial, bloqueiam o escorregamento e criam empilhamentos. Este bloqueio e a
geração de discordâncias continuam até o estágio onde algumas discordâncias
bloqueadas são capazes de evitar os obstáculos através de deslizamento cruzado
nos planos de deslizamento cruzado (JONAS, et al., 1978).
Algumas propriedades dos metais são alteradas pelo encruamento, através
de processos de conformação plástica realizados com trabalho a frio, a uma
temperatura – comumente a ambiente – que não pode ultrapassar a temperatura de
recristalização, ou seja, a uma temperatura que deve ser bem inferior à temperatura
de fusão do metal.
17
Capítulo 3
3 - MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Dimensionamento da Câmera de Vazamento do Dispositivo de Solidificação
Unidirecional Horizontal
Suas dimensões foram baseadas no trabalho de Quaresma (1999). Para sua
montagem, utilizou-se um molde de geometria regular com dimensões 60 x 60 x 110
mm, Fig.3.1, onde uma das paredes é constituída por um molde de aço SAE 1010
(para o acabamento das paredes do molde utiliza-se lixas), material condutor que
funciona como fonte de absorção da carga térmica liberada pelo metal líquido possui
um furo posicionado a 3 mm à esquerda da interface metal/molde e uma
profundidade de 30 mm a partir do topo da parede superior do molde o mesmo serve
para posicionar o termopar do molde.
Figura 3.1. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde, adaptadação da figura Quaresma
(QUARESMA, 1999): vista superior e lateral da câmara de vazamento.
Os restantes dos termopares são posicionado no intervalo de 7,5 mm até 45
mm, estes posicionados a partir da interface metal/molde. As outras paredes são
18
compostas de um material isolante de aproximadamente 20 mm espessura,
cerâmico à base de sílica, a tampa superior possui um orifício cônico na posição
oposta à parede metálica.
3.2. Equipamentos para Obtenção de Dados do Dispositivo de Solidificação
Unidirecional Horizontal
São basicamente constituídos de termopares do Tipo K (Fe CuNi) Fig. 3.2a,
num total de 9(nove) termopares, sendo 1(um) para leitura de vazamento do metal
líquido, 1(um) posicionado na interface meio ambiente/molde, 1(um) no molde e o
restante na câmara de vazamento, conforme o esquema da Fig. 3.1. Esses foram
conectados por um cabo coaxial a um registrador de temperaturas ALMEMO /
AHLBORN, modelo 2290 - 8, Fig. 3.2b.
Conectores
(a)
(b)
Termopar
Figura 3.2. Termopares tipo “K”, utilizados para a coleta dos dados térmicos (a);.
equipamentos de aquisição de dados (b).
3.3. Dimensionamento do Molde do dispositivo de solidificação em “U”
As dimensões do sistema em “U” estão representadas na Fig. 3.3a,
destacando suas principais medidas e além da união feita com parafusos Fig. 3.3b.
Também o molde apresenta um desmoldante (solução com caulim) na sua
superfície. Sendo constituído de aço maciço 1020.
19
(a)
(b)
Figura 3.3. Molde em “U”: principais medidas (a);
dispositivo de solidificação bipartido (b)
3.4. Caracterização de Ligas
Para a confirmação da concentração do teor da liga estudada, torna-se
necessária a verificação das temperaturas liquidus. A metodologia adotada para
aferição das ligas foi a da comparação com o diagrama de fases do sistema Al –
Si (ROOY,1992), Fig. 3.4a.
A Fig. 3.4b apresenta uma ampliação de parte do diagrama de fases ,
para melhor caracterização das temperaturas liquidus. Para obtenção dos perfis
térmicos da liga de Al 0,4%Si, após elaboração e homogeneização, elas são
levadas a uma temperatura superior à temperatura liquidus.
20
Figura 3.4. Diagrama de fases do sistema Al–Si (ROOY,1992) (a);
Seqüência esquemática para confirmação da liga (b) (Peres, 2002).
O material contido nos cadinhos é retirado do forno, em seguida coloca-se
uma vedação no topo do cadinho, feita de material isolante à base de sílica, no
intuito de se evitar ao máximo a fuga de calor para o ambiente, e com isso permitir
uma solidificação mais lenta, para que se tenha uma condição mais próxima possível
da condição de equilíbrio. Insere-se um termopar, previamente aferido, através de
um orifício feito na vedação colocada no topo do cadinho, para possibilitar a
monitoração e registro das transformações térmicas de cada liga. Os dados obtidos
pelo equipamento de aquisição são então armazenados, possibilitando uma
(
a
)
(b)
21
posterior construção gráfica das curvas de resfriamento de cada liga. A partir das
temperaturas de transformação liquidus, obtidas dos gráficos, confirma-se o teor de
soluto da liga elaborada. A Fig. 3.5 apresenta a curva de resfriamento, obtidas
através do registrador ALMEMO, para a liga Al-0,4%Si; 0,6%Mg; 0,05%Cu.
0 1000 2000 3000
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
C aracterização do Perfil Térm ico
Liga Al-0,4
% Si; 0,6% M g; 0,05% Cu
Tem peratura (
0
C)
Tem po (s)
Liquidus
656
0
C
Figura 3.5. Curva experimental de resfriamento da liga analisada.
3.5. Elaboração das Ligas de Alumínio para Fundição
O alumínio utilizado foi o alumínio EC (~97,78%), produzido pela ALUBAR
METAIS. Foram utilizadas ligas da série 6xxx, mais precisamente ligas do sistema
da liga Al-Si-Cu-Mg-Fe. As composições nominais das ligas 6101 estão dispostas
em uma faixa admissível, e são apresentadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Limites Admissíveis das Ligas 6101 [ROOY,1992]
Liga Si % Mg % Fe % B % Cu % Mn % Cr % Zn %
6101 0,30 a 0,70 0,35 a 0,8 <0,5 <0,06 <0,1 <0,03 <0,03 <0,1
Se fez necessário uma correção em peso na composição das ligas
estudadas, nos elementos químicos Si, Cu, Fe e Mg. Usou-se o fator de correção
1,06 para o elemento magnésio pelo fato desse componente ser muito volátil, e com
22
o intuito de avaliar o cobre na liga, se faz necessária duas variações no teor do
elemento, ou seja, de 0,05% e 0,3%Cu.
Sendo que para obtenção do metal foram adotados alguns procedimentos a
seguir: As barras foram cortadas em uma serra elétrica, Fig. 3.6 e pesadas em
Figura 3.6. Serra elétrica, Laboratório de Mecânica/UFPa
uma balança digital de precisão, Fig. 3.7a, até a obtenção das massas desejadas.
Após a pesagem, as quantidades de material foram introduzidas em um cadinho de
carbeto de silício de 3,5 l de volume, Fig. 3.7b, o qual foi pintado com caulim
dissolvida em água para evitar a aderência de uma quantidade considerável de
metal, e foi submetido a um pré-aquecimento de vinte minutos à 150°C para eliminar
a umidade. A fusão dos metais foi feita em um forno tipo MUFLA, Fig. 3.7c, cuja
temperatura de trabalho ajustada foi de 810°C, temperatura esta que garante a
fusão completa dos metais. Então retirados e agitados no mínimo três vezes com a
haste de aço inoxidável, revestidas com cimento refratário, para sua efetiva
homogeneização.
Para que haja um perfeito vazamento, fixou-se um superaquecimento de 10%
para todas as liga em todos os vazamentos realizados. A escolha desse percentual
excedendo às temperaturas liquidus das ligas deve-se ao fato de que, ao se adotar
23
maiores superaquecimentos, haverá uma impedância térmica que se traduz num
maior tempo para a solidificação, além do retardamento da contração volumétrica do
metal.
(a)
(c)
(
b
)
Figura 3.7. Acessórios e Equipamento para Fusão das Ligas:
Balança (a), Cadinho (b) e Forno elétrico (c).
Após a constatação de que os elementos adicionados na liga estavam
totalmente dissolvidos no cadinho, foi retirado do forno e executou-se novamente a
homogeneização do metal fundido através de agitação com espátula de aço, e
posterior à homogeneização, fez-se a injeção de gás inerte argônio Fig. 3.8a, com
um regulador de vazão (0,2 l/s) durante 40 segundos, Fig. 3.8b.
(b)
(a)
Figura 3.8. Injeção de gás inerte (argônio) (a); Regulador de vazão (b).
24
Em seguida foi retirada com a espátula, a escória formada na superfície livre
do banho. Após isto, introduziu-se um termopar, com o intuito de verificar a
temperatura do metal, até que se atingisse o valor de aproximadamente 710°C, a
qual foi a temperatura de vazamento. Os vazamentos foram realizados em um
aparato experimental, Fig. 3.9.
(a) (b)
Figura 3.9. Aparato experimental para os vazamentos:
em molde unidirecional (a); em molde “U” (b).
O aparato da Fig. 3.9a serve para produzir um sistema de fluxo de calor
unidirecional, fato este que facilita o estudo da evolução estrutural, e a relação desta
com as propriedades mecânicas e elétricas, no interior do metal, tomando como
referência a interface metal/molde. Sua capacidade volumétrica é de
aproximadamente 0,4 l e a massa de metal que se utilizou foi de 1200g.
Neste dispositivo, executou-se quatro (4) vazamentos, sendo que de quatro,
dois deles foram feitos na presença de termopares posicionados para registro de
temperatura Fig. 3.10a. Nesses se obtiveram corpos de prova pelo processo de
usinagem e laminação.
25
(a)
(b)
Figura 3.10. Lingotes obtidos na solidificação: em unidirecional com termopares
posicionados para registro de temperatura (a); em molde em “U” (b).
O lingote obtido no molde em “U” Fig. 3.9b, serve também para o estudo do
comportamento estrutural, e a relação desta com as propriedades mecânicas e
elétricas. Nesse lingote, Fig. 3.10b além de retirados os corpos de prova pelo
processo de usinagem e laminação, também será acrescido a trefilação na
preparação dos corpos de prova.
A massa de metal que se utilizou foi aproximadamente de 600g e
executaram-se quatro (4) vazamentos para esse dispositivo. Para confirmação da
composição química das ligas foram retiradas amostras testemunho, Fig. 3.11.
Figura 3.11. Retirada da amostra testemunho.
26
Após a retirada da amostra se faz a análise química através do espectrômetro
de massa Fig. 3.12a, onde os resultados são obtidos da média de três leituras da
composição química da amostra, Fig. 3.12b, apresentando valores em peso para
liga. O equipamento pertence à ALUBAR METAIS.
(b)
(a)
Figura 3.12. Espectrômetro de massa(a); leitura na amostra testemunho (b).
3.6. Utensílios Operacionais
3.6.1. Haste de aço inoxidável
Revestida também com cimento refratário, para homogeneização do banho
por agitação, procurando evitar que partículas do material da haste afetem a
composição da liga, além de preservá-la.
3.6.2. Espátula de aço inoxidável
Revestida com suspensão à base de alumina para retirada da camada de
óxido formada na superfície livre do banho, quando na iminência ao vazamento do
metal na cavidade.
27
3.6.3. Garra metálica
Utilizada para transporte dos cadinhos para dentro e fora do forno, durante as
operações de vazamento do banho de metal líquido no molde.
3.7. Procedimentos para Obtenção dos Tempos de Passagem das Isotermas por
Posições Específicas para o Sistema Unidirecional
Tendo o histórico térmico das ligas capturado pelo registrador e repassado
posteriormente para um computador. A Fig. 3.13 mostra o desenho esquemático
representando o sistema de aquisição de dados para construção dos perfis térmicos.
.
Figura 3.13 – Desenho esquemático representando o sistema de aquisição de dados
para construção dos perfis térmicos
(CRUZ, 2004).
Após a obtenção das curvas de resfriamento da liga foi elaborado o perfil da
isoterma liquidus a partir dos registros de cada posição em relação à distância
interface metal/molde (7,5; 15,0; 22,5; 30; 37,5 e 45 mm).
A Fig. 3.14 mostra o tempo experimental obtido a partir da interseção da
temperatura liquidus (T
L
) com a curva de resfriamento na posição 45mm. Para cada
posição dos termopares será gerado um tempo.
28
0 100 200 300 400 500
500
550
600
650
700
750
Pos(45,0mm)
−−−T
L
= 651
0
C
Tem peratura (
0
C)
T e m p o [ t ( s ) ]
Liga Al- 0,4% Si; 0,3%Cu
Figura 3.14. Esquemas para determinação da Isoterma Liquidus na posição 45,0 mm.
3.8. Determinação da Taxa de Resfriamento (
•
Τ
)
A metodologia utilizada para determinação da taxa de resfriamento foi
desenvolvida por Okamoto (OKAMOTO et al,1975), considerando-se os dados de
cada posição dos termopares, obtidos experimentalmente a partir da intersecção da
reta de cada temperatura liquidus (TL) com as curvas de resfriamento para cada
posição dos termopares, considerando-se os dados imediatamente antes e depois
da passagem da isoterma liquidus por cada termopar.
A Fig. 3.15 apresenta o esquema representativo para determinação da
•
Τ
na
posição 45,0 mm para a liga de Al 04%; 0,3%Cu; 0,6%Mg.
0 100 200 300 400 500
500
550
600
650
700
750
Pos(45,0m m )
−−−T
L
= 651
0
C
Tem peratura (
0
C)
T e m p o [ t ( s ) ]
T
1
Figura 3.15. Esquemas representativos para determinação da
•
Τ
na posição 45,0 mm.
t
1
t
2
T
2
T
L
Liga Al-
0,4% Si; 0,3%Cu
29
A equação que determina a taxa de resfriamento é dada pelo módulo da
razão entre as diferenças de temperatura e tempo, equação (a).
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
Δ
ΔΤ
=Τ
Τ
Τ
)(
)(
12
12
ttt
&
(a)
Substituindo os resultados da Fig. 3.15 na equação (a) temos a taxa de
resfriamento para posição 45 mm.
3.9. Preparação dos Corpos de Prova (CP)
3.9.1. Molde Unidirecional Horizontal
As dimensões e posição de onde foram retirados os corpos de prova do
fundido, estão representados na Fig. 3.16 e tendo a preocupação de relacionar
as posições específicas com os termopares. Após os vazamentos ficou definido que
as linhas 2 e 3, por estarem no centro do lingote e sujeito a menor efeito de agentes
externo, como também, mais próximo a leitura do termopar e, que representariam
melhor os fenômenos desenvolvidos no processo.
Figura 3.16. Corpos de Prova: Definição das posições para a
fabricação dos corpos de prova.
30
Através da serra elétrica Fig. 3.6, obtiveram-se barras de secção quadrada
para cada lingote Fig. 3.17a, as quais foram identificadas, posteriormente usinadas,
Fig. 3.17b, com intuito de se atingir a configuração do corpo de prova, ou seja, as
amostras foram usinadas até o diâmetro de 9,8 mm.
Figura 3.17. Obtenção do CP: Barras de secção quadrada para cada lingote (a);
usinagem do CP, Metalúrgica Lugtak (b).
Após os corpos de prova usinados, é retirado à metade dos corpos de prova
que estão contidos nas suas respectivas posições e linhas para em seguida passar
pelo processo de laminação Fig. 3.18, até o diâmetro de 3,98 mm.
(a) (b)
Figura 3.18. Laminador elétrico, laboratório de Mecânica/UFPa.
A Fig. 3.19 mostra os corpos de prova usinados e laminados para o ensaio de
tração, obedecendo a norma específica de cada material. Antes dos corpos de prova
31
laminado serem submetidos ao ensaio de tração, são retiradas às medidas elétricas.
E posteriormente os corpos de prova foram levados para análise no MEV.
Figura 3.19. Corpos de prova usinados, laminados.
3.9.2. Molde “U”
Os processos mecânicos que são submetidos o material fundido para
obtenção dos corpos de prova na forma de fio, e posteriores à caracterização
mecânica, elétrica e estrutural, constituí-se numa forma de avaliação microscópica.
Inicialmente realiza-se corte do lingote, destacando-se a região central do perfil “U”
Fig. 20a, separando-se suas “pernas” com comprimento médio de 250 mm para as
maiores e em torno de 90 mm as menores, e serem em seguida usinadas e
passando a ter secções circulares de aproximadamente 10 mm Fig.20b.
(a)
(b)
Figura 3.20. Lingote “U” seccionado (a); CP de secção circular (b).
32
A deformação plástica foi realizada com auxilio de um laminador Fig.18,
permitindo-se a obtenção de fios no diâmetro de 3,98 mm, seguido de trefilação Fig.
21, com reduções de Ø=3,88 mm, 3,78 mm, 3,45 mm, 3,02 mm e 2,90 mm.
Figura 3.21. Trefilador, ALUBAR.
A Fig. 3.22 mostra os corpos de prova trefilados com seus respectivos
diâmetros.
Figura 3.22. Corpos de prova trefilados
.
3.10. Caracterização Mecânica dos Materiais
Para a caracterização mecânica dos materiais utilizou-se a máquina Kratos
Fig.3.23 para o ensaio de tração, sendo que para cada tipo de corpo de prova se
33
obedece a uma determinada norma técnica: i) para o fundido, às dimensões
obedece a norma ASTM E8M – 95, ii) laminados e trefilados, ou seja, para Fios e
Cabos Elétricos obedecendo à norma NBR 6810.
Figura 3.23. Ensaio de tração Modelo Kratos com célula de carga de 500 e 3000 Kgf.
3.11. Caracterização Elétrica dos Materiais
Para aferição das propriedades elétricas adotou-se como referência a NBR-
6814, onde se descreve o método de medição de resistividade elétrica do condutor
em corrente contínua, para fios e cabos elétricos. Para realização do ensaio utilizou-
se uma ponte de kelvin MEGABRÁS modelo MPK-2000, ilustrada na Fig. 3.24, esse
equipamento encontra-se nas dependências do laboratório do grupo ALUBAR.
a
b
Figura 3.24. Fotos do conjunto componentes da ponte de Kelvin
utilizada para medir a resistência elétrica.
34
3.12. Procedimento de Limpeza das Amostras para análise no MEV.
A Fig. 3.25 ilustra um limpador ultra sônico com circuito eletrônico de estado
sólido, tanque em aço modelo METASOM – 14.
Figura 3.25. Ultra som modelo METASOM – 14.
Usado para limpeza das amostras por meio de aplicação de ondas ultra-
sônicas agindo sobre uma solução de limpeza [Álcool etílico absoluto, P.A. 99 INPM
e Acetona P.A. (CH
3
)2CO], criando bolhas que ao emplodirem na superfície das
amostras, expulsam a sujeira.
3.13. Método Utilizado para Leitura das Micro Cavidades
Após a execução dos ensaios trativos, fez-se a caracterização da fratura nos
corpos de prova. Estas análises foram realizadas em um microscópio eletrônico de
varredura (MEV), Fig. 3.26, de propriedade do museu Emílio Goeldi.
Figura 3.26. Microscópio Eletrônico de Varredura MEV
35
Através do MEV se busca analisar a topografia da superfície de fratura,
seguido de microanálise pelo método EDS (Energy Dispersive Spectroscopy).
Os ensaios de tração do fundido, laminado e trefilados conforme o item 3.10,
onde foram retiradas amostras do CP fraturado, preparadas conforme item 3.12, em
seguida as amostra foram levadas ao microscópio MEV com aumento de 3000
vezes para posterior contagem das cavidades. A leitura foi feita, por intermédio do
software Motic, onde a Fig. 3.27 mostra a leitura das cavidades pelo método do
intercepto (norma ASTM E112-96), este processo foi escolhido por apresentar
melhor adaptação ao estudo.
Figura 3.27. Leitura dos “dimples” pelo método do intercepto (norma NB-1323 da
ABNT).
36
3.14. Fluxograma do Processo das Atividades Experimentais
Figura 3.28. Fluxograma atividades experimentais.
Solidificação Unidirecional
Análise do Material
Mecânica
Microestrutura
Elétrica
Lingoteira
Vazamento
Definir a liga
Pesagem
Fusão do material
Análise química Análise Térmica
Forno elétrico
tipo mufla
Balança
eletrônica
Leitura da
tem
p
eratura
Preparação da liga / Fusão
Vazamento
Solidificação em “U”
Análise Térmica
37
Capítulo 4
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Obtenção da Composição Química do Material
A Tabela 4.1 mostra os resultados obtidos na composição química da liga de
alumínio para a execução dos experimentos.
Tabela 4.1. Composição química da liga de alumínio 6101
Ligas de
Al
Código
(Porcentagem em Massa)
Al Si Fe Cu Mg
Mn Zn outros
0,4%Si;
0,05%Cu;
0,6%Mg
Al005
98,60 0,3655 0,2821 0,0466 0,6893 0,0018 0,0009 0,0138
0,4%Si;
0,3%Cu
0,6%Mg
Al03
98,48 0,3602 0,1578 0,2544 0,5762 0,0060 0,0203 0,1451
4.2. Caracterização Térmica para o Dispositivo Unidirecional
4.2.1. Curvas de Resfriamento das Ligas
Após os registros foram analisadas as temperaturas de ocorrência liquidus
para as curvas ficando numa faixa de 650/651ºC para as ligas.
A Fig. 4.1 representa as curvas de resfriamento da liga Al005, obtidas
experimentalmente conforme os procedimentos de vazamento do item 3.5. As
leituras das curvas correspondem ao monitoramento das variações da temperatura
em função do tempo, medido por termopares no decorrer da solidificação
unidirecional horizontal.
No conjunto, os resfriamentos ao longo das curvas do molde apresentam um
comportamento similar a cada curva correspondente. Tendo como um diferenciador
entre elas um patamar, indicado pelo círculo, onde o mesmo se deve em função das
curvas geradas pelos termopares posicionados relação à interface metal/molde(M/M)
38
em diferentes distâncias (7,5mm; 15,0mm; 22,5mm; 30,0mm; 37,5mm; 45mm), Já
ilustradas na Fig. 3.1.
0 200 400 600 800 1000
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Liga Al: 0,4% Si - 0,6% Mg - 0,05% Cu
Perfis Térmicos
Ambiente Molde
P(7,5mm) P(15,0mm)
P(22,5mm) P(30,0mm)
P(37,5mm) P(45,0mm)
Temperatura (
0
C)
Tempo [ t ( s ) ]
Figura 4.1. Curva experimental de resfriamento da liga Al005.
Os resultados das curvas de resfriamento da Al03, também se apresentam
com um comportamento similares às curvas mostradas na Fig. 4.1, apresentando
um patamar e seguindo os mesmos posicionamento dos termopares em relação à
interface metal/molde(M/M).
0 200 400 600 800 1000
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Liga Al: 0,4% Si - 0,6% Mg - 0,3% Cu
Perfis Térmicos
Ambiente Molde
P(7,5mm) P(15,0mm)
P(22,5mm) P(30,0mm)
P(37,5mm) P(45,0mm)
Temperatura (
0
C)
Tempo [ t ( s ) ]
Figura 4.2. Curva experimental de resfriamento da liga Al03.
39
4.2.2. Velocidade de Resfriamento (V
L
)
A Fig. 4.3a mostra a evolução comparativa das isotermas liquidus, sendo que
o método para encontrá-la foi explicado item 3.7, para as duas ligas com as
respectivas posições.
Figura 4.3. Evolução comparativa das isotermas liquidus (a);
velocidades das isotermas das ligas de alumínio (b).
Logo em seguida se obtém as equações pelos pontos das curvas da Fig.
4.3(a). Essas equações encontradas passam pelo processo da derivação para se
obter a equação da velocidade de deslocamento da isoterma liquidus em relação ao
tempo, ou seja, pela derivada da função P= f(t), chega-se a V
L
=
dt
dΡ
, Fig. 4.3b.
De posse das equações das posições e do deslocamento da isoterma liquidus
em relação ao tempo é possível, mediante a breve manipulação matemática se
determinar às velocidades de deslocamento das isotermas em função das distâncias
da interface metal/molde, implicando em V
L
= f(P), como pode ser visto na Fig. 4.4 a
seguir, para as ligas Al005 e Al03.
0 20406080100
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Velocidade[V
L
(mm/s)
Tempo [t(s)]
V
L 0,3%Cu
=3,54 x [t]
-
0
,
58
V
L 0,05%Cu
= 2,7 x [t]
-
0
,
58
(b)
■ Liga Al005
▲
Li
g
a
A
l
03
(a)
0 20406080100
0
10
20
30
40
50
60
Posição Interface M/M [P(mm)]
Tempo [t(s)]
P
0,3%Cu
= 8,42 x [t]
0
,
42
P
0,05%Cu
= 6,42 x [t]
0
,
42
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
40
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
V
L0,3%Cu
= 68 x [P]
-
1
,
39
0 ,0 7 ,5 1 5 ,02 2 ,53 0 ,03 7 ,54 5 ,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Velocidade[V
L
(mm/s)
Posição Interface M/M [P(mm)]
V
L0,05%Cu
= 34,94 x [P]
-
1
,
38
Figura 4.4: Velocidades das isotermas liquidus durante o processo de
solidificação das ligas Al005 e Al03.
As curvas obtidas mostram um comportamento similar para as duas ligas, por
outro lado, a curva com maior teor de cobre, apresenta um perfil da velocidade
mais elevado. Estas evidências permitem refletir melhor sobre a presença do cobre
na liga, e que podem estar associadas com a maior ou menor eficiência de contato
do metal com o molde nos momentos iniciais da solidificação. Segundo Prates
(1978) a velocidade com que o calor é extraído e transferido através do molde para o
ambiente tem relação direta com a velocidade de solidificação.
Entretanto, para melhor entender o processo é necessário conhecer duas
importantes propriedades dos metais fundidos, a viscosidade e a fluidez. Verran
(2004) verificou o efeito do elemento cobre sobre a viscosidade do alumínio Fig.
4.5a. Mesmo com baixos teores, houve um aumento na viscosidade do alumínio. Em
seus estudos, Kim e Loper (1995) analisaram a fluidez das ligas Al-Si com variações
de cobre até aproximadamente 3,5%. A Fig. 4.5(b) mostra a ação do cobre versus
41
silício sobre a fluidez do alumínio e suas ligas. É notável a baixa fluidez que o cobre
confere quando comparado ao silício.
(a)
(b)
Figura 4.5. Influência dos elementos de liga na viscosidade do alumínio (VERRAN, 2004)
(a); variação do cobre versus silício na fluidez do alumínio (KIM et al.,1995) (b).
A baixa fluidez da liga pode ser associada a menor molhabilidade do metal no
molde, e este aspecto pode ser relacionado ao “mushy zone” ou intervalo de
solidificação ou faixa de solidificação que, segundo Garcia (2006), é identificada pela
distância das linhas “Liquidus/Solidus” para cada teor da liga.
Figura 4.6. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a solidificação de ligas
com intervalo de solidificação curto ou baixa fluidez (GARCIA at al., 2006).
42
A Fig. 4.6 mostra uma liga que possui um intervalo de solidificação curto ou
baixa fluidez. O “mushy” é mais fino e, em decorrência da maior viscosidade da liga,
o contato fica menos eficiente o que contribui para a formação de camadas sólidas
cada vez mais resistentes à pressão metalostática, deslocando definitivamente, o
metal do molde e fazendo com que o próprio metal solidificado passe a atuar como
uma camada de molde auxiliar no resfriamento do metal. A Fig. 4.7 a seguir ilustra a
situação inversa da Fig. 4.6 comentada anteriormente. Por apresentar maior fluidez
do molde ou da liga, apresenta maior molhabilidade, isso implica no “mushy”
espesso e em decorrência da maior fluidez da liga o contato entre o molde e o metal
fica mais eficiente, o que contribui para uma casca sólida mais delgada, que é
menos resistente à pressão metalostática, resultando na compressão desta casca
sólida contra a parede do molde. Este fato evita a distorção térmica contribuindo
para uma menor atuação do molde na extração de calor.
Figura 4.7. Ação da pressão metalostática e da força motriz durante a solidificação de ligas
com intervalo de solidificação longo ou alta fluidez (GARCIA at al., 2006).
4.2.3. Taxa de resfriamento ( )
•
Τ
As determinações das taxas foram desenvolvidas no item 3.8. A Fig. 4.8
mostra a evolução da taxa de resfriamento para as ligas Al005 e Al03.
43
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
0 1020304050
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Taxa de resfriam ento (K/S)
P osição Interface M /M [P (m m )]
0,3%Cu
= 44,04 x [P]
-
Figura 4.8 Evolução da taxa de resfriamento para as
Ligas Al005 e Al03.
A mesma permite representar a evolução da taxa de resfriamento à frente da
isoterma liquidus durante a solidificação, para as duas ligas. Observa-se a
diminuição progressiva da variável térmica em relação às posições mais afastadas
da interface metal/molde. A medida que a solidificação progride as taxas para as
duas ligas tendem a convergir na posição 45mm, conseqüência essa devido ao
bloco extrator de calor perder a eficiência.
Segundo Quaresma (1999), o contato inicial define a eficiência da extração
calorífica, influenciando na formação das estruturas brutas de solidificação. Nota-se
que com o aumento do teor de cobre na liga o perfil da taxa de resfriamento tende a
ser mais elevados. Nota-se que com o aumento do teor de cobre na liga, o perfil da
taxa de resfriamento tende a ser mais elevado.
4.3. Caracterização Mecânica do Material Fundido para o Dispositivo Unidirecional
4..3.1. Relação entre o LRT, e as dimensões “Dimples” do fundido.
A Fig. 4.9, apresenta a leitura química feita nos contornos das micro
1
,
51
•
Τ
0,05%Cu
= 4.1 x [P]
-
0
.
89
•
Τ
44
cavidades e apresentam teores crescente de cobre à medida em que é feita mais
afastada da interface metal/molde.
5 10152025303540
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
EDS Cobre [(wt.)%]
Posição Interface M/M [P(mm)]
EDS
0,05%Cu
= 0.107 x [P]
0
.
37
EDS
0,3%Cu
= 0 .457 x [P]
0
.
27
■ Liga Al005
▲ Li
g
a
A
l03
Figura 4.9. Leitura da composição química do elemento cobre em peso nas ligas fundida.
A Fig. 4.10 mostra a relação dos “dimples” com o limite de resistência á tração
(LRT) do material fundido em função da posição da interface metal/molde. As
imagens que acompanham o gráfico foram tiradas no MEV com ampliações de
3.000x. Os resultados podem ser avaliados da seguinte maneira:
a) As estruturas e seus valores tomados em relação a interface metal/molde,
Fig. 4.10a, (I) Pode ser observado que a evolução dos tamanhos dos “Dimples” são
diferentes. Crescem para a liga com 0,05% cobre e diminui para a liga com 0,3%
cobre, conforme pode ser avaliado nas imagens.
b) Os resultados dos ensaios de tração tomados em relação à dimensão dos
dimples Fig. 4.10b, (II) Neste caso, observa-se que o progresso do LRT independe
da forma e da dimensão dos “Dimples”. Estes comportamentos deve ao fato de
tratar-se ainda de estrutura bruta de solidificação.
45
Figura 4.10. Relação dos “dimples” do fundido com o LRT em função das posições.
4.4. Caracterização Mecânica das Amostras Solidificadas Unidirecionalmente e
Laminadas.
Os corpos de prova foram usinados até 10 mm de diâmetro e em seguida
laminados a frio em um laminador duo elétrico com canais circulares, sendo feitos
sucessivos passes até chegar-se ao diâmetro de 3,98 mm.
(a)
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
5 10152025303540
5, 0
7, 5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
Mc= 0,05%Cu=14,73 x [Pos]
0, 10
Mc= 0,3%Cu= 22,19 x [Pos]
-0.21
Micro Cavidade [Mc(μm)]
Posição Interface M/M [P(mm)]
(b)
4 8 12 16 20 24
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Am ostras com o Solidificadas
φ = 9,5 mm
σ
0,05% Cu
= 190,05 x [Mc]
-0,12
;
σ
0,30% Cu
= 268,67 x [Mc]
-0,41
.
LR T [ σ ( M P a ) ]
M icro Cavidades [ M c ( μ m ) ]
P 7,5 mm P 22,5 mm P 37,5 mm
P 7,5 mm P 22,5 mm P 37,5 mm
46
Após este processo as ligas foram caracterizadas mecanicamente através de
ensaios de tração em uma máquina Kratos e posteriormente, eletricamente através
de um microhomímetro com ponte de Kelvin.
4.4.1- Relação entre o LRT e a Dimensão das Micro Cavidades das Amostras.
A Fig.. 4.11 tem como objetivo apresentar uma correlação entre LRT e o
diâmetro das micro cavidades, Fig. 4.11(b). Desta forma apresenta-se gráficos com
curvas descrevendo a evolução destes diâmetros associados à posição, de retirada
da amostra, relativa interface metal/molde, Fig. 4.11(a).
Figura 4.11. Relação dos “dimples” do laminado com o LRT.
■ Liga Al005
▲ Li
g
a
A
l03
0 10203040
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Mc
0,05%Cu
= 0,47 x [Pos]0,26
Mc
0,3%Cu
= 0,79 x [Pos]0,09
Micro Cavidade [Mc(μm)]
Posição Interface M/M [P(mm)]
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
Amostras Solidificadas Unid. e Laminadas
φ = 3,98 mm
LRT
0,05% Cu
= 219,81 x (Mc)
-0,102
;
LRT
0,30% Cu
= 255,21 x (Mc)
-0,740
.
LR T [ σ
R
( M P a ) ]
M icro Cavidades [ M c ( μ m ) ]
(a) (b)
P 7,5 mm P 22,5 mm P 37,5 mm
P 7,5 mm P 22,5 mm P 37,5 mm
47
Como reforço de análise apresenta-se o conjunto de fractográfias ilustrando a
região da fratura para as ligas com [0,05 e 0,3]%Cu. Deste conjunto pode-se
facilmente inferir que, nas condições experimentais levadas a efeito que após a
laminação a evolução do LRT das amostras, para as duas ligas, tende a decrescer
quanto maior o diâmetro medido e, por conseguinte quanto mais afastado da
interface metal/molde. Os teores de cobre, obtidos com as leituras químicas sobre as
paredes das micro cavidades geradas na região da fratura das amostras,
diminuem quanto medidos mais afastados da interface metal/molde, como pode
ser visto na Fig.4.12.
0 102030405060
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Figura 4.12. Leitura da composição química do elemento cobre em peso na liga laminada.
4.5. Caracterização Elétrica das Amostras Laminadas Obtidas no Molde
Unidirecional.
A condutividade elétrica é o número que expressa a capacidade que um
material tem de conduzir a corrente. Segundo a Norma “International Annealed
Copper Standard” (IACS), adotada em praticamente todos os paises, é fixada em
100% a condutividade de um fio de cobre de 1 metro de comprimento com um
EDS Cobre[(wt.)%]
Posição Interface M/M [P(mm)]
EDS
0,05%Cu
= 1.28 x [P]
-
0
.
26
EDS
0,3%Cu
= 1.35 x [P]
-
0
.
17
■ Liga Al005
▲ Li
g
a Al03
48
1 mm
2
de seção e cuja resistividade a 20 ºC seja de 0,01724 Ohm.mm
2
/m
a
resistividade e a condutividade variam com a temperatura ambiente).
Dessa forma, esse é o padrão da condutividade adotada, o que significa que
todos os demais condutores sejam em alumínio ou outro metal qualquer, têm suas
condutividades sempre referida ao condutor de cobre.
4.5.1. Resistência Elétrica das Ligas.
A norma NBR 05118 /1985 trás a seguinte observação: A resistência elétrica
do fio de alumínio deve ser medida a uma temperatura não inferior a 10°C, nem
superior a 30°C, e corrigida para a temperatura de 20°C.
Para se obter os primeiros resultados, foi necessário fazer a leitura das
resistências dos corpos de prova (CP) laminado com sua respectivas posições e
tamanho, sendo auxiliado pela norma NBR 6814/ 1986 através da equação:
)20(1
1
(
20
−+
=
t
RR
t
α
onde: (c)
t = temperatura na qual foi efetuada a medição, ºC;
t
R
= resistência a t ºC; em Ω
20
R = resistência a 20 ºC; em
Ω
α
= coeficiente de variação da resistência com a temperatura 20 ºC , especificado
pela norma para liga de alumínio.
A comparação dos resultados obtidos para resistência elétrica medida nas
amostras retiradas nas posições dos termopares, pode ser avaliada com auxilio das
curvas contida na Fig. 4.13. A liga com 0,3%Cu apresenta maior resistência elétrica.
49
Enquanto a resistência elétrica para a liga de 0,05% Cu além de ser menor decresce
quando lida mais afastada da interface metal/molde.
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
0 102030405060
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
Resistência(20
o
C m-Ohm)
Posição Interface M/M [P(mm)]
R
0,3%Cu
= 2.57 x [P]
0
,
003
R
0,05%Cu
= 2.73 x [P]
-
0
.
027
Figura 4.13. Comparação entre as resistências dos CP para as ligas estudadas.
4.5.2. Resistividade Elétrica das Ligas
Para a leitura da resistividade elétrica do fio de alumínio-liga, a norma NBR
05285/1985, indica a 20°C, a resistividade não deve ser superior a 0,0328 Ω mm
2
/m,
correspondente à condutividade mínima de 52,5% IACS.
Para a resistividade a equação utizada foi obtida com o auxílio da norma
NBR 6815/1981 sendo:
AxR
cv
(d) =
ρ
onde:
ρ
c
= resistividade volumétrica do CP a 20 ºC, em
m
mmx
2
Ω
;
Rv = resistência elétrica do CP por unidade de comprimento a 20 ºC, em
m
Ω
;
A = área da secção transversal do CP, em
2
mm
50
A Fig..4.14, possibilita a comparação entre as resistividades das amostras
para as ligas estudadas. O resultados apresentam uma maior resistividade para a
liga com 0,3% cobre. Também apresentando para as duas ligas, uma diminuição da
resistividade quanto ao afastamento da posição com relação à interface metal
molde.
Figura 4.14. Comparação entre as resistividades dos CP para as ligas estudadas.
4.5.3. Condutibilidade Elétrica das Ligas.
Para liga de alumínio a condutibilidade medida em IACS em condutores a 20
ºC está na faixa de 52,50 a 59 % IACS.
As curvas da Fig. 4.15, mostram que a condutibilidade dos corpos de prova
das duas ligas, obtidas em posições relativas para a interface metal/molde cresce
quanto maior à distância a interface. Por outro lado quanto maior teor de cobre na
liga, menor condutibilidade elétrica. Este fato pode estar associado a maior presença
de cobre nos contornos das micro cavidades, Fig. 4.12.
Estes resultados permitem sugerir que o cobre, quando em teores crescentes
em ligas de Al e, além de diminuir a condutividade elétrica das mesmas.
ρ
0,05%Cu
=0,033 x [P]
-
0
.
021
ρ
0,3%Cu
= 0,033 x [P]
-
0
,
015
0 102030405060
0,0302
0,0304
0,0306
0,0308
0,0310
0,0312
0,0314
0,0316
0,0318
0,0320
ρ(Ohm.mm
2
/m)
Posição Interface M/M [P(mm)]
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
51
IACS
0,05%Cu
= 51,76 x [P]
0
.
021
IACS
0,3%Cu
= 51,85x [P]
0
,
015
0 102030405060
53,0
53,5
54,0
54,5
55,0
55,5
56,0
IACS (%)
Posição Interface M/M [P(mm)]
■ Liga Al005
▲ Liga Al03
Figura 4.15. Comparação entre as condutibilidades dos CP
para as ligas estudadas.
4.5.4. Síntese dos Resultados da Caracterização Elétrica das Ligas Al005 e Al03
laminadas
A tabela 4.2 mostra os resultados da caracterização elétrica da liga Al005
laminada.
Tabela 4.2. Caracterização Elétrica da Liga Al005 Laminada
0,05% Cu /
Laminado
Temperatura
Diâmetro
Área
Resistência Lida
Resistência
Elétrica
Resistência
Corrigida
Resistência
Corrigida
Resistividade
Aprov./Reprov.
IACS
(°C) Ø (mm) mm2 (mΩ) (Ω) 1 m 20 ºC
Ohm.
mm
2
/m
%
2A1 25,8 3,96 12,32 1,332 0,001332 0,0026 0,00259 0,0318 ok 54,14
2B1 25,7 3,98 12,44 1,050 0,00105 0,0026 0,00254 0,0316 ok 54,51
2C1 25,7 3,95 12,25 1,017 0,001017 0,0025 0,00246 0,0302 ok 57,14
2D1 25,7 4,00 12,57 0,766 0,000766 0,0025 0,00246 0,0309 ok 55,71
52
A tabela 4.3 representa a Caracterização Elétrica da liga de Al03 laminada.
Tabela 4.3. Caracterização Elétrica da liga Al03 laminada
0,3% Cu /
Laminado
Temperatura
Diâmetro
Área
Resistência Lida
Resistência
Elétrica
Resistência
Corrigida
Resistência
Corrigida
Resistividade
Aprov./Reprov.
IACS
(°C) Ø (mm) mm2 (mΩ) (Ω) 1 m 20 ºC
Ohm.
mm
2
/m
%
2A2 26,6 3,98 12,44 1,333 0,00133 0,0026 0,00258 0,0321 ok 53,7
2B2 26,9 3,96 12,31 1,34 0,00134 0,0026 0,00259 0,0319 ok 54,02
2C2 26,9 3,92 12,06 1,355 0,00135 0,0027 0,00262 0,0316 ok 54,52
2D2 26,8 3,91 12 1,335 0,00133 0,0026 0,00258 0,031 ok 55,6
4.6. Caracterização Mecânica e Elétrica dos Materiais laminados e trefilado para o
Dispositivo “U”
Na experimentação foi utilizado a liga de alumínio da série AA6101, sendo
modificada nos teores de Cobre (Cu) e os procedimentos de preparação do
vazamento foram os mesmos utilizados na solidificação unidirecional.
A Figura 4.16 mostra que quando maior a redução, ocorre um aumento do
LRT, sendo que as duas ligas apresentam a capacidade de resistirem aos esforços
de tração após serem deformadas por meio da trefilação. A imagem do MEV com
aumento de 3000x, mostra que quanto maior as reduções menores a micro cavidade
e conseqüentemente maiores LRT.
Outro fato verificado inicialmente é que a liga de menor teor de soluto se
apresenta com maior LRT, isto antes de 0,64 de redução do fio, depois as curvas se
cruzam, passando a liga de maior teor de soluto ter maior LRT.
53
Figura 4.16. Relação dos “dimples” da redução com o LRT
na deformação das ligas.
O perfil das curvas da resistividade em função da redução dos fios, a Fig. 4.17
mostra que as duas ligas tiveram um comportamento distinto em relação a redução
do fio, visto que a de maior teor de soluto teve um crescimento bem acentuado com
o aumento da redução e o de menor apresentou um quanto indiferente com aumento
da redução. Sendo que a liga de maior teor soluto se apresenta com maior
resistividade.
0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70
250
260
270
280
290
300
LRT
0,05% CU
= 309,66 x (RED)
0,27
LRT
0,3% CU
= 397,16 x [RED]
0,80
LRT (MPa)
Redução do fio (RED)
4,0 3,8 3,6 3, 4 3, 2 3,0 2,8
8
10
12
14
16
18
LRT
0,05% CU
= 309,66 x (d)
0,27
LRT
0,3% CU
= 397,16 x [d]
0,80
Micro Cavidade [Mc(μm)]
Diâmetro [d(mm)]
Φ= 3,98mm Φ= 3,45mm Φ= 2,90 mm
Φ= 3,98mm Φ= 3,45mm Φ= 2,90 mm
54
0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70
0,03125
0,03150
0,03175
0,03200
0,03225
0,03250
0,03275
0,03300
0,03325
ρ
0,05% Cu
= 0,0318 x [RED]
0,019
ρ
0,3% Cu
= 0.0366 x [RED]
0,27
ρ(ohms.mm
2
/m)
Redução do Fio
Figura 4.17. Resistividade em função da redução dos fios estudados.
A Fig. 4.18, apresenta IACS em função da redução dos fios estudados, indica
o oposto da resistividade, ou seja, a liga de menor teor de cobre se apresenta com
resultados maiores que a liga de menor teor.
0,70 0,68 0,66 0,64 0,62 0,60 0,58
51,0
51,5
52,0
52,5
53,0
53,5
54,0
54,5
IACS
0,05% Cu
= 53,86 x [RED]
-0.0199
IACS
0,3% Cu
= 46,62 x [RED]
-0.27
IACS (%)
Redução do fio (RED)
Figura 4.18. IACS em função do diâmetro dos fios estudados.
55
4.6.1. Síntese dos Resultados da Caracterização Mecânica e Elétrica das Ligas
Al005 e Al03 laminadas e Trefiladas
A Tabela 4.3 a seguir apresenta caracterização mecânica e elétrica da liga
Al005 trefilada com suas respectivas reduções, LRT, resistividade e IACS.
Tabela 4.3. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al005
0,05 %Cu Redução LRT Resistividade IACS
Processo
(ohms.mm
2
/m) RED(%) (MPa) (%)
Diâmetro
(φ)
0,58 267,86 0,03152 54,44
3,98 Laminação
0,59 268,89 0,03153 54,42 Trefilação
3,88
0,60 269,94 0,03154 54,41 Trefilação
3,78
0,64 273,67 0,03157 54,35 Trefilação
3,45
0,68 279,19 0,03161 54,27 Trefilação
3,02
0,69 280,89 0,03163 54,25 Trefilação
2,9
A Tabela 4.4 a seguir apresenta caracterização mecânica e elétrica da liga
(Al- 0,4%Si;0,3 %Cu) trefilada com suas respectivas reduções, LRT, resistividade e
IACS.
Tabela 4.4. Caracterização Mecânica e Elétrica para Liga Al03
0,30 %Cu Redução LRT Resistividade IACS
Processo
Diâmetro (φ)
RED(%) (MPa) (ohms.mm
2
/m) (%)
0,58 257,08 0,0317 53,89 Laminado
3,98
0,59 260,04 0,03182 53,69 Trefilação
3,88
0,60 263,11 0,03195 53,48 Trefilação
3,78
0,64 274,15 0,03239 52,75 Trefilação
3,45
0,68 291,08 0,03304 51,71 Trefilação
3,02
0,69 296,44 0,03324 51,39 Trefilação
2,9
56
Capítulo 5
5. CONCLUSÕES.
No que diz respeito ao material solidificado no molde unidirecional podemos
concluir:
1- Material sem Deformação
– Do entendimento de que a liga com o menor teor de cobre [0,05] “molha”
melhor o molde, tendo como conseqüência a menor Velocidade de Solidificação
e Taxa de Solidificação.
– A liga com menor teor de cobre apresenta maiores micro cavidades.
– Os valores dos LRT apresentam-se decrescentes para as duas ligas,
apesar da liga com 0,3%Cu apresentar menores micro cavidades, provavelmente
por tratar-se de estruturas brutas de fusão.
2- Material Deformado à Frio
– O LRT decresce para as duas ligas em função das maiores micro cavidades
e quanto avaliadas mais afastadas da interface metal/molde.
– A condutibilidade elétrica cresce com a posição em relação à interface
metal/molde e diminui com o crescimento do teor de cobre.
– Os valores avaliados também possibilitam que se conclua que a
condutividade elétrica cresce quanto maior o diâmetro da micro cavidade.
– O comportamento das ligas, quanto a condutividade elétrica, pode estar
associado a presença do cobre nos contornos das micro cavidades.
Enquanto no processo em “U” tira-se a seguinte conclusão:
– Os LRT cresceram com o aumento da redução dos diâmetros das ligas;
57
– Ao examinar o aspecto das fraturas observou-se um decrescimento da
micro cavidades a medida que aumenta o teor de cobre nas ligas;
– Os valores avaliados possibilitam que se conclua que a condutividade
elétrica para a liga de maior rendimento da liga Al 0,4% Si; 0,05% Cu, ficou quase
indiferente com a redução do diâmetro enquanto a de maior teor obteve um ganho
significativo com o aumento da redução do diâmetro.
58
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SIQUEIRA, C. A. F.: “
Influência de parâmetros térmicos de solidificação na
transição colunar/equiaxial”, Tese de Doutorado, Unicamp, Campinas,
2002.
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