Solidificação de Metais:Mecanismo, Taxa e Processo | Fundição | Ciência da Manufatura

Neste artigo discutiremos sobre a solidificação de metais:- 1. Mecanismo de solidificação 2. Taxa de solidificação 3. Solidificação de uma grande fundição em um molde isolante 4. Solidificação com resistência de interface predominante 5. Solidificação com fundição constante Temperatura da superfície 6. Solidificação com resistência predominante em molde e metal solidificado.

Conteúdo:

1. Mecanismo de Solidificação
2. Taxa de solidificação
3. Solidificação de uma grande fundição em um molde isolante
4. Solidificação com resistência de interface predominante
5. Solidificação com temperatura constante da superfície de fundição
6. Solidificação com resistência predominante em molde e metal solidificado

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1. Mecanismo de Solidificação:

Metais puros:

Os líquidos precisam ser resfriados abaixo de seus pontos de congelamento antes que a solidificação comece. Isso ocorre porque a energia é necessária para criar superfícies para novos cristais. O grau de super-resfriamento necessário é reduzido pela presença de outras superfícies (partículas) que servem como núcleos iniciais para o crescimento do cristal.

Quando um metal líquido é derramado em um molde, inicialmente (no tempo t ₀ na Fig. 2.14) a temperatura em todo lugar é θ ₀ . A própria face do molde atua como o núcleo para o crescimento do cristal e, se a condutividade do molde for alta, pequenos cristais orientados aleatoriamente crescem perto da face do molde.



Posteriormente, um gradiente de temperatura resulta dentro da fundição, como indicado na Fig. 2.14 para t ₁ e t ₂ . À medida que a solidificação progride gradualmente para dentro, longos cristais colunares, com seus eixos perpendiculares à face do molde, crescem. Esta orientação do crescimento do cristal é desejável do ponto de vista da resistência da fundição.

Ligas:

Uma liga, ao contrário de um metal puro, não tem uma temperatura de congelamento bem definida. A solidificação de uma liga ocorre em uma faixa de temperatura. Durante este processo, os sólidos que se separam em diferentes temperaturas possuem composições variadas.

Devido a esses fatos, a direção do crescimento do cristal em uma liga depende de vários fatores, como:

(i) O gradiente de composição dentro da fundição,

(ii) A variação da temperatura de solidus com a composição, e

(iii) O gradiente térmico dentro do molde.

Discutiremos cada um desses fatores considerando o exemplo de uma liga de solução sólida cujo diagrama de fase é mostrado na Fig. 2.15.

Deixe a liga líquida ter a composição C ₀ (de B em A). Além disso, deixe θ _f ser o ponto de congelamento do metal puro A, e θ ₀ e θ ’ ₀ , respectivamente, são as temperaturas liquidus e solidus da liga de composição C ₀ .

À medida que a liga líquida é resfriada até a temperatura 0 _O , os sólidos começam a se separar. A concentração de B nestes sólidos é apenas C ₁ ( 0 ), como é evidente na Fig. 2.15. Como resultado, a concentração de B no líquido, perto da interface sólido-líquido, aumenta para um valor superior a C ₀ . A Figura 2.16 mostra isso para a situação em que a frente de solidificação progrediu até alguma distância d da face do molde.



Agora, vamos considerar dois pontos P e Q dentro da liga líquida, P estando logo além da interface sólido-líquido, conforme indicado na Fig. 2.16. As temperaturas solidus correspondentes às composições em P e Q são θ ’ _P e θ ’ _Q , respectivamente (ver Fig. 2.15). Seja θ _P e θ _Q ser as temperaturas reais nos pontos P e Q, respectivamente. θ _Q é maior que θ _P devido ao gradiente térmico dentro da fundição (ver Fig. 2.14). Se ambos θ _a e θ _P encontram-se no intervalo θ ’ _P para θ ’ _Q , então o líquido em Q é super-resfriado, enquanto que em P não é. Isso implica que a cristalização começa em Q mais cedo do que em P. Se essa diferença for muito proeminente, o crescimento colunar de cristais a partir da superfície do molde é prejudicado. O crescimento do cristal em tal situação pode aparecer como na Fig. 2.17. Assim, um dendrítico





Assim, uma estrutura dendrítica é produzida. Se a cristalização em Q for concluída antes de começar em P (devido a um gradiente térmico muito pequeno, com uma diferença de concentração muito alta e uma linha solidus muito inclinada), então cristais orientados aleatoriamente podem aparecer dentro da fundição. Além disso, a presença de cristais sólidos à frente da interface sólido-líquido torna a alimentação do metal líquido mais difícil. Isso também implica em maior risco de ter vazios dentro da fundição, normalmente referido como retração da linha central.

Um remédio para evitar o problema de reflorestamento é produzir um grande gradiente térmico dentro do molde, fornecendo um resfriamento (bloco de metal resfriado com alta condutividade térmica) na extremidade do molde. Se θ _P está consideravelmente abaixo de 6q, então o grau de super-resfriamento não é significativamente diferente em P e Q e um progresso gradual da interface sólido-líquido é garantido. O problema é obviamente menos crítico para ligas com uma pequena diferença de temperatura entre as linhas liquidus e solidus.

Os padrões de congelamento de um molde resfriado e comum são mostrados na Fig. 2.18. Na Fig. 2.18a, a solidificação começa na linha central do molde antes que a solidificação esteja completa, mesmo na face do molde. No molde resfriado (Fig. 2.18b), por outro lado, devido à rápida extração de calor, uma estreita zona líquido-sólido rapidamente varre o metal fundido.



A dificuldade de alimentar uma determinada liga em um molde é expressa por uma quantidade, chamada Center-Line Feeding Resistance (CFR). É definido como -

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2. Taxa de solidificação:

Um reservatório de metal líquido, chamado riser, é usado para compensar o encolhimento que ocorre desde a temperatura de vazamento até a solidificação. A este respeito, o ferro fundido cinzento é uma exceção interessante onde a solidificação ocorre em dois estágios.

O encolhimento associado ao primeiro estágio pode muito bem ser compensado pela expansão que ocorre durante o segundo estágio e, como tal, um riser pode não ser necessário. Para garantir que o riser não solidifique antes da fundição, devemos ter uma ideia do tempo que a fundição leva para solidificar.

Além disso, a colocação (localização) do riser pode ser escolhida criteriosamente se uma estimativa do tempo gasto pela fundição para solidificar até uma certa distância da face do molde estiver disponível.

O calor rejeitado pelo metal líquido é dissipado pela parede do molde. O calor, liberado com o resfriamento e solidificação do metal líquido, passa por diferentes camadas. A distribuição da temperatura nessas camadas, em qualquer instante, é esquematicamente mostrada na Fig. 2.19.



As resistências térmicas que governam todo o processo de solidificação são as do líquido, do metal solidificado, da interface metal-molde, do molde e do ar ambiente. Essas cinco regiões diferentes são indicadas pelos números de 1 a 5 na Fig. 2.19. O processo de solidificação é bastante complicado, especialmente quando se considera a geometria complexa, o congelamento de ligas ou a dependência das propriedades térmicas da temperatura.

A seguir, discutiremos a solidificação de metais puros em alguns casos de interesse prático. Ao fazer isso, devemos, dependendo da situação, fazer suposições simplificadas para negligenciar a resistência térmica de uma ou mais das regiões mostradas na Fig. 2.19.

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3. Solidificação de uma grande fundição em um molde isolante:

Durante a solidificação de uma grande peça fundida em um molde isolante, como o usado na areia ou na fundição de precisão, quase toda a resistência térmica é oferecida pelo molde. Portanto, a análise que fornecemos calcula o tempo de congelamento considerando apenas a resistência térmica da região 2 (Fig. 2.19).

Considere uma face do molde AB mostrada na Fig. 2.20. O molde grande, inicialmente a uma temperatura θ ₀ , é assumido como estendido até o infinito na direção x.



No tempo t =0, o metal líquido na temperatura θ _p é derramado no molde. Também assumimos que o metal apenas em contato com a face do molde solidifica instantaneamente. Em outras palavras, a temperatura da face do molde é elevada para θ _f (temperatura de congelamento do metal) em t =0 e é mantido nesse valor até a conclusão da solidificação. A distribuição de temperatura dentro da caixa em um momento subsequente t (assumindo a condução de calor unidimensional na direção x) para tal caso é dada por







Deve-se notar que a análise anterior assume uma interface plana metal-molde AB, normalmente não encontrada na prática de engenharia. Freqüentemente, somos obrigados a descobrir o tempo de congelamento de contornos complexos.

Para tais contornos, tudo o que precisamos fazer é observar (sem quaisquer cálculos precisos) as seguintes características básicas para saber se a análise que fornecemos subestima ou superestima o tempo de congelamento real. Para observar essas características, consideramos três tipos de interfaces metal-molde (ver Fig. 2.21), a saber, (i) convexa, (ii) plana (usada em nossa análise) e (iii) côncava.

Na Fig. 2.21a, o fluxo de calor é mais divergente e, conseqüentemente, a taxa é um pouco maior do que na Fig. 2.21b. Assim, o tempo de congelamento em tal caso é superestimado pela análise anterior. Da mesma forma, na Fig. 2.21c, o fluxo de calor é mais convergente e, conseqüentemente, a taxa é um pouco menor do que na Fig. 2.21b. Portanto, o tempo de congelamento em tal caso é subestimado pela análise que fornecemos.



Os resultados quantitativos do efeito da interface de moldagem no tempo de congelamento podem ser obtidos para algumas formas básicas. Antes de darmos esses resultados, definimos dois parâmetros adimensionais, a saber-

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4. Solidificação com resistência de interface predominante:

Em alguns processos de fundição comuns, o fluxo de calor é controlado significativamente pela resistência térmica da interface molde-metal. Esses processos incluem fundição em molde permanente e fundição sob pressão.

A condição de ausência de resistência de contato existe apenas quando o contato molde-metal é tão íntimo que ocorre um umedecimento perfeito, isto é, a peça fundida é soldada à face do molde. Nesse caso, a distribuição da temperatura, assumindo que não há superaquecimento, é mostrada na Fig. 2.23. Estamos considerando novamente um problema de fluxo de calor unidimensional.





A Equação (2.44) é útil para estimar o tempo de solidificação de peças pequenas e de seção fina fundidas em um molde de metal pesado, conforme usado em uma matriz ou fundição em molde permanente.

Pode-se notar neste estágio que, além da resistência de interface que discutimos, existem diferenças significativas entre o processo de solidificação em um molde de areia e aquele em um molde de metal ou frio.

Apresentamos aqui duas maneiras importantes em que o último difere do anterior:

(i) A condutividade térmica do metal solidificado pode fornecer resistência térmica considerável, como mostrado pela região 4 da Fig. 2.19. Por causa disso, a temperatura da superfície da fundição (θ _s ), como pode ser visto, torna-se muito mais baixo do que a temperatura de congelamento θ _f .

(ii) Por causa do metal solidificado sub-resfriado, mais calor total do que o considerado deve ser removido. Assim, a capacidade de calor do metal de solidificação também desempenha um papel importante na taxa de solidificação.

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5. Solidificação com temperatura constante da superfície de fundição:

Se uma grande fundição em forma de placa (digamos, de aço) for produzida em um molde fino resfriado a água feito de um metal (digamos, de cobre) com uma condutividade muito maior do que a fundição solidificada, então a resistência térmica fornecida por o próprio metal solidificado é significativo. Nesse caso, a resistência térmica predominante é oferecida pela região 4 (ver Fig. 2.19).

Desprezando as resistências térmicas de todas as outras regiões, a distribuição da temperatura em qualquer instante assume a forma mostrada na Fig. 2.24. Aqui, a interface molde-metal (ou a superfície de fundição) temperatura θ _S pode ser assumido como permanecendo constante em seu valor inicial θ ₀ , e θ _f indica a temperatura de congelamento do metal e também é considerada a temperatura de vazamento.

Em qualquer instante t, δ (t) indica a profundidade de solidificação. O processo pode ser idealizado, sem muitos erros, como unidimensional. Portanto, o tempo de solidificação t _s é obtido a partir de δ (t _s ) =h / 2, onde h é a espessura da laje a ser fundida. O perfil de temperatura dentro do intervalo 0






Esta análise é válida somente após o estágio inicial de solidificação (0,5-1 cm). Resultados semelhantes para o tempo de solidificação das outras formas podem ser encontrados na literatura disponível.

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6. Solidificação com resistência predominante em molde e metal solidificado:

O molde de cobre é bastante espesso e não é refrigerado a água. Então, a temperatura da interface molde-metal θ _S não pode mais ser assumido como permanecendo em seu valor inicial θ ₀ . O valor de θ _S , ainda considerada constante, é decidida pelas propriedades térmicas do molde e do metal solidificado.

Além disso, após o estágio inicial de solidificação, a resistência da interface também se torna insignificante. Assim, a única resistência térmica significativa é oferecida pelas regiões 2 e 4 (Fig. 2.19) e a distribuição de temperatura resultante em qualquer instante é mostrada na Fig. 2.25. Supondo que o molde seja um meio semi-infinito na direção x negativa, a distribuição de temperatura no molde é









Agora, o lado esquerdo e ɸ na equação (2.62) são conhecidos; portanto, ζ pode ser determinado graficamente ou por tentativa e erro. Na primeira abordagem, um gráfico de ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] versus ζ deve ser desenhado para o valor dado de ɸ, e ζ pode então ser resolvido com o valor conhecido do lado esquerdo da equação (2.62). Uma vez que ζ é conhecido, a profundidade de solidificação pode ser calculada a partir da equação (2.47) e o tempo de solidificação a partir da equação (2.52). Para que tal fundição seja viável, deve-se assegurar que θ _S acaba sendo menor do que o ponto de fusão do metal do molde.

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