Solidificação de Metais: Mecanismos, Taxas e Processos de Fundição

Sumário

1. Mecanismo de Solidificação
2. Taxa de Solidificação
3. Solidificação de Grande Fundição em Molde Isolante
4. Solidificação com Resistência de Interface Predominante
5. Solidificação com Temperatura de Superfície Constante
6. Solidificação com Resistência Predominante no Molde e Metal Solidificado

1. Mecanismo de Solidificação

Metais Puros

Líquidos precisam ser resfriados abaixo de seus pontos de congelamento antes que a solidificação inicie, pois 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 crescimento cristalino.

Quando metal líquido é vazado num molde, inicialmente (tempo t₀ na Fig. 2.14) a temperatura em todo lugar é θ₀. A face do molde atua como núcleo para crescimento cristalino; se a condutividade do molde é alta, pequenos cristais de orientação aleatória crescem perto da face do molde.

Posteriormente, forma-se um gradiente de temperatura dentro da fundição (Fig. 2.14 para t₁ e t₂). Conforme a solidificação progride para dentro, longos cristais colunares, com eixos perpendiculares à face do molde, crescem. Essa orientação é desejável do ponto de vista da resistência da fundição.

Ligas

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

Devido a esses fatos, a direção do crescimento cristalino numa liga depende de vários fatores: (i) gradiente de composição dentro da fundição; (ii) variação da temperatura de solidus com a composição; (iii) gradiente térmico dentro do molde.

Discutiremos cada fator considerando o exemplo de uma liga de solução sólida cujo diagrama de fases é mostrado na Fig. 2.15.

Seja a liga líquida de composição C₀ (de B em A). Seja θf o ponto de congelamento do metal puro A, e θ₀ e θ'₀, respectivamente, as temperaturas de liquidus e solidus da liga de composição C₀.

À medida que a liga líquida resfria até θ₀, sólidos começam a se separar. A concentração de B nesses sólidos é apenas C₁ (< C₀), conforme Fig. 2.15. Como resultado, a concentração de B no líquido, próximo à interface sólido-líquido, aumenta para valor > C₀. A Fig. 2.16 mostra isso quando a frente de solidificação progrediu até distância d da face do molde.

Considere dois pontos P e Q no líquido, P logo além da interface sólido-líquido (Fig. 2.16). As temperaturas de solidus correspondentes às composições em P e Q são θ'P e θ'Q (Fig. 2.15). Sejam θP e θQ as temperaturas reais em P e Q. θQ > θP devido ao gradiente térmico (Fig. 2.14). Se tanto θQ quanto θP estiverem na faixa θ'P a θ'Q, o líquido em Q está super-resfriado, enquanto em P não está. Isso implica que a cristalização inicia em Q antes que em P. Se essa diferença for proeminente, o crescimento colunar a partir da superfície do molde é dificultado; o crescimento cristalino pode aparecer como na Fig. 2.17, produzindo estrutura dendrítica.

Se a cristalização em Q completa-se antes de iniciar em P (devido a gradiente térmico muito pequeno, com grande diferença de concentração e linha de solidus muito inclinada), cristais de orientação aleatória podem aparecer no interior da fundição. A presença de cristais sólidos à frente da interface sólido-líquido dificulta a alimentação do metal líquido, implicando maior risco de vazios internos, normalmente chamados de retração de linha central.

Um remédio para evitar esse problema é criar um grande gradiente térmico no molde usando um chill (bloco metálico resfriado com alta condutividade térmica) na extremidade do molde. Se θP for consideravelmente abaixo de θQ, o grau de super-resfriamento não difere significativamente entre P e Q, garantindo progresso gradual da interface sólido-líquido. O problema é obviamente menos crítico para ligas com pequena diferença de temperatura entre liquidus e solidus.

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

A dificuldade de alimentar uma dada liga num molde é expressa por uma quantidade chamada Centre-Line Feeding Resistance (CFR — Resistência de Alimentação de Linha Central), definida como...

2. Taxa de Solidificação

Um reservatório de metal líquido, chamado riser (alimentador), compensa a retração da temperatura de vazamento até a solidificação. O ferro fundido cinzento é exceção interessante: solidifica em dois estágios. A retração do primeiro estágio pode ser compensada pela expansão do segundo, podendo dispensar o alimentador. Para garantir que o alimentador não solidifique antes da fundição, precisamos estimar o tempo de solidificação da fundição.

Além disso, o posicionamento do alimentador pode ser escolhido judiciosamente se houver estimativa do tempo para a fundição solidificar até certa distância da face do molde.

O calor rejeitado pelo metal líquido dissipa-se pela parede do molde. O calor liberado no resfriamento e solidificação passa por diferentes camadas. A distribuição de temperatura nessas camadas, a qualquer instante, é mostrada esquematicamente na Fig. 2.19.

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

A seguir, discutiremos a solidificação de metais puros em casos de interesse prático, fazendo suposições simplificadoras para negligenciar a resistência térmica de uma ou mais regiões da Fig. 2.19.

3. Solidificação de Grande Fundição em Molde Isolante

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

Considere uma face de molde AB (Fig. 2.20). O molde grande, inicialmente a θ₀, estende-se até o infinito na direção x. No tempo t = 0, metal líquido a θp é vazado. Assume-se que o metal em contato com a face do molde solidifica instantaneamente: a temperatura da face sobe a θf (temperatura de congelamento) em t=0 e mantém-se até o fim da solidificação. A distribuição de temperatura no molde em tempo posterior t (condução unidimensional na direção x) é dada por...

Nota: a análise assume interface metal-molde plana AB, não comum na prática. Frequentemente precisamos do tempo de congelamento de contornos complexos. Para tais contornos, observamos características básicas (sem cálculos precisos) para saber se a análise subestima ou superestima o tempo real. Consideramos três tipos de interfaces (Fig. 2.21): (i) convexa, (ii) plana (usada na análise), (iii) côncava.

Na Fig. 2.21a, o fluxo de calor é mais divergente, taxa maior que na plana (Fig. 2.21b) → tempo de congelamento superestimado. Na Fig. 2.21c, fluxo mais convergente, taxa menor → tempo subestimado.

Resultados quantitativos do efeito da interface molde-fundição no tempo de congelamento podem ser obtidos para formas básicas. Definimos dois parâmetros adimensionais...

4. Solidificação com Resistência de Interface Predominante

Em alguns processos comuns de fundição, o fluxo de calor é controlado significativamente pela resistência térmica da interface molde-metal. Incluem fundição em molde permanente e fundição sob pressão (die casting).

A condição de resistência de contato nula existe apenas quando o contato molde-metal é tão íntimo que ocorre molhagem perfeita (a fundição solda-se à face do molde). Nesse caso, a distribuição de temperatura, assumindo sem superaquecimento, é mostrada na Fig. 2.23. Consideramos novamente fluxo unidimensional.

A equação (2.44) ajuda a estimar o tempo de solidificação de peças pequenas, de seção fina, fundidas em molde metálico pesado (molde permanente ou die casting).

Além da resistência de interface discutida, existem diferenças significativas entre solidificação em molde de areia e em molde metálico (chill):

1. A condutividade térmica do metal solidificado pode oferecer resistência térmica considerável (região 4 da Fig. 2.19). Por isso, a temperatura de superfície da fundição (θs) torna-se muito menor que θf.
2. Devido ao metal solidificado sub-resfriado, mais calor total que o considerado deve ser removido. A capacidade calorífica do metal em solidificação também desempenha papel importante na taxa de solidificação.

5. Solidificação com Temperatura de Superfície da Fundição Constante

Se uma grande fundição do tipo chapa (ex.: aço) é produzida num molde fino, resfriado a água, feito de metal (ex.: cobre) com condutividade muito maior que a da fundição solidificada, a resistência térmica predominante é a do metal em solidificação (região 4, Fig. 2.19).

Negligenciando as outras resistências, a distribuição de temperatura a qualquer instante tem a forma da Fig. 2.24. A temperatura da interface molde-metal (superfície da fundição) θS assume-se constante no valor inicial θ₀; θf indica a temperatura de congelamento e também é tomada como temperatura de vazamento.

A qualquer instante t, δ(t) indica a profundidade de solidificação. O processo pode ser idealizado como unidimensional. O tempo de solidificação ts obtém-se de δ(ts) = h/2, onde h é a espessura da chapa. O perfil de temperatura no intervalo 0 < x < δ(t) é dado por... Esta análise é válida apenas após o estágio inicial de solidificação (0,5–1 cm). Resultados semelhantes para outras formas encontram-se na literatura.

6. Solidificação com Resistência Predominante no Molde e no Metal Solidificado

O molde de cobre é espesso e não é resfriado a água. A temperatura da interface θS não pode mais ser assumida constante em θ₀. O valor de θS, ainda assumido constante, é decidido pelas propriedades térmicas do molde e do metal solidificado.

Após o estágio inicial, a resistência de interface também se torna desprezível. Assim, as únicas resistências significativas são das regiões 2 e 4 (Fig. 2.19), resultando na distribuição de temperatura da Fig. 2.25. Assumindo o molde como meio semi-infinito na direção x negativa, a distribuição de temperatura no molde é...

O lado esquerdo e φ na equação (2.62) são conhecidos; ζ pode ser determinado graficamente ou por tentativa e erro. Na abordagem gráfica, traça-se ζe^ζ²[erf(ζ) + φ] versus ζ para o φ dado, e ζ resolve-se com o valor conhecido do lado esquerdo da equação (2.62). Conhecido ζ, a profundidade de solidificação calcula-se pela equação (2.47) e o tempo de solidificação pela (2.52). Para viabilidade, deve-se garantir que θS seja menor que o ponto de fusão do metal do molde.