Tese de mestrado - Armindo nº38033.pdf

Universidade do Minho Escola de Engenharia

Armindo Fernando da Silva Pereira

Utilizao de ultra-sons para afinamento da microestrutura de ligas de alumnio vazadas em areia

Tese de Mestrado Ciclo de Estudos Integrado Conducente ao Grau de Mestre em Engenharia Mecnica

Trabalho efectuado sob a orientao do Professor Doutor Joaquim Barbosa

Outubro 2011

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DECLARAO

Armindo Fernando da Silva Pereira

Correio electrnico: [email protected] Telefone: 968171232

Nmero do Bilhete de Identidade: 11905014

Ttulo dissertao:


Ano de concluso: 2011

Orientador:

Professor Doutor Joaquim Barbosa

Designao do Mestrado:

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Mecnica

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecnica

AUTORIZADA A REPRODUO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAO, MEDIANTE DECLARAO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE.

Guimares, ___/___/______

Assinatura: ________________________________________________

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Agradecimentos

A concretizao deste trabalho no seria possvel sem a contribuio de algumas pessoas que me acompanharam e incentivaram ao longo deste tempo. Por isso queria aqui deixar algumas palavras de apreo e os meus sinceros agradecimentos:

Ao Professor Doutor Joaquim Barbosa, pela sua orientao. Ao Engenheiro Hlder Puga pela disponibilidade e apoio necessrios para

ultrapassar alguns dos obstculos que foram surgindo ao longo do trabalho. Tnia pelo apoio, preocupao e encorajamento. A todos os meus amigos pela

amizade e apoio demonstrado. minha famlia, nomeadamente aos meus pais e minha irm Gabriela, por

desde sempre me terem apoiado e incentivado a aqui chegar.

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RESUMO

O presente trabalho destina-se obteno do Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica da Universidade do Minho. Este trabalho levado a cabo no laboratrio de fundio do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade do Minho, tem como objectivo o estudo da tecnologia de vibrao por ultra-sons, e a avaliao da sua influncia na morfologia microestrutural para a liga A356.

O processo de fundio uma tcnica de fabrico de grande importncia porque permite a produo de peas com grande variedade de formas e tamanho.

A utilizao de ultra-sons na fundio um mtodo inovador e em constante desenvolvimento. A utilizao de energia acstica permite, obter na fundio estruturas globulares nas ligas de Al-Si, promovendo uma melhoria nas propriedades mecnicas da pea vazada, devido ao seu mecanismo de afinao de gro por cavitao acstica e fragmentao dendrtica.

Neste trabalho foi analisada a afinao de gro atravs do tratamento por ultra-som atravs da aplicao de energia acstica por imerso do radiador de ultra-sons no metal lquido na moldao em areia verde, tendo sido feitos trs ensaios, com moldes de dimetro igual a 30 mm, 45 mm e 60 mm e com comprimento de 130 mm. Tambm foram feitos trs ensaios para os mesmos dimetros e comprimento, mas que no foram sujeitas ao uso de ultra-sons. Foi tambm feita a anlise trmica em trs pontos do fundido, inicio, meio e fim.

Os resultados evidenciam que o processamento por vibrao acstica promove a afinao de gro, pois, garante a reduo do tamanho mdio de gro e tambm promove a fragmentao dendrtica.

Palavras - chave: Ultra-sons, cavitao acstica, liga de alumnio, afinao de gro, anlise trmica

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ABSTRACT

This work is intended to obtain the master degree in Mechanical Engineering from the Minho University. This work carried out in the foundry laboratory, on the Department of Mechanical Engineering, Minho University, aims to study the technology of ultrasonic vibration, and the evolution of their influence on the microstructural morphology for the alloy A356.

The foundry process is a technique of production of great importance allowing the production of parts with great variety of forms and sizes.

The use of ultrasounds in foundry is an innovative method and in constant development and in foundry, the use of acoustic cavitation allows obtaining globular structures in Al-Si alloys, promoting an improvement of the mechanical properties of casting,

due to the mechanism of grain refinement by cavitation and dendritical fragmentation. In this work the grain refinement was analyzed through ultrasound treatment on as

follows: application of acoustic energy by immersing the radiator in an ultrasonic liquid metal on a casting of green sand, having been made three castings, with casts of 30 mm, 45 mm, 60 mm of diameter and 130 mm of length. It was also made three castings for the same diameter and length, but ultrasounds werent used. Also, it was made a thermal analysis on three points, in the beginning, middle and on the end of the cast.

The results show that the processing of acoustic vibration promotes the refinement of grain, therefore, guarantees the reduction of grain size and the dendritical fragmentation.

Keywords: Ultrasound; acoustical cavitation; aluminum alloy; grain refinement; thermal analysis

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NDICE

1. INTRODUO 1.1. Estruturao da tese e objectivos do trabalho ............................................................... 2

2. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................. 3 2.1. Ligas de Al-Si ............................................................................................................... 3

2.2. Tratamentos de banhos da liga de Al-Si ....................................................................... 4

2.2.1. Desgaseificao tradicional e por ultra-sons ......................................................... 5

2.2.2. Nucleao .............................................................................................................. 8

2.2.3. Dendrites ............................................................................................................. 10

2.2.4. Modificao do Silcio ........................................................................................ 11

2.3. Afinao de gro e modificao do silcio por adio qumica .................................. 12

2.3.1. Tipos de afinadores de gro ................................................................................ 12

2.3.2. Tipos de modificadores de silcio eutctico ........................................................ 13

2.4. Afinao de gro e modificao do silcio por ultra-sons ........................................... 14

2.4.1. Fragmentao dendrtica ..................................................................................... 15

2.4.2. Cavitao acstica ............................................................................................... 15

3. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL .................... 17

3.1. Materiais ..................................................................................................................... 17

3.1.1. Liga ..................................................................................................................... 17

3.1.2. Moldao ............................................................................................................. 17

3.2. Equipamentos .............................................................................................................. 18

3.2.1. Unidade de fuso ................................................................................................. 18

3.2.2. Ultra-sons ............................................................................................................ 19

3.2.3. Termopares ......................................................................................................... 20

3.2.4. Alimentadores ..................................................................................................... 21

3.2.5. Sistema de enchimento ........................................................................................ 21

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3.3. Metodologia experimental .......................................................................................... 22

3.3.1. Elaborao da moldao ..................................................................................... 22

3.3.2. Dimensionamento e construo dos vrios componentes da moldao .............. 25

3.3.3. Fuso e desgaseificao ...................................................................................... 33

3.3.4. Ensaios sem ultra-sons ........................................................................................ 34

3.3.5. Ensaios com ultra-sons ........................................................................................ 34

3.4. Tcnicas de caracterizao trmica e microestrutural ................................................. 35

3.4.1. Caracterizao trmica ........................................................................................ 35

3.4.2. Caracterizao microestrutural ........................................................................... 35

4. RESULTADOS E DISCUSSO ........................................................................................ 37

4.1. Anlise Trmica .......................................................................................................... 37

4.1.1. Sem vibrao acstica ......................................................................................... 37

4.1.2. Com vibrao acstica ........................................................................................ 39

4.2. Microestrutura ............................................................................................................. 41

4.2.1. Sem vibrao acstica ......................................................................................... 41

4.2.2. Com vibrao acstica ........................................................................................ 45

4.2.3. Efeito da potncia elctrica do ultra-som nas caractersticas morfolgicas da microestrutura ..................................................................................................................... 49

5. CONCLUSES .................................................................................................................. 51

5.1. Propostas para trabalhos futuros ................................................................................. 52

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................ 53

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Diagrama de fases alumnio-silcio e microestrutura dos componentes puros e liga das vrias

composies[6]. ...................................................................................................................................... 4 Figura 2 Solubilidade do Hidrogenio durante solidificao. .................................................................. 5

Figura 3 Reduo do teor de H dissolvido no banho com o tempo de desgaseificao. ......................... 7

Figura 4 Comparao entre as energias envolvidas na nucleao homognea e heterognea. ............... 9

Figura 5 Superfcie a ser criada pela nucleao a partir de um substrato. ............................................ 10

Figura 6 Dendrite originada na solidificao. ....................................................................................... 11

Figura 7 Forno de resistncias e cadinho de carboneto de silcio. ........................................................ 18

Figura 8 (1) Gerador de Ondas; (2) Conversor acstico; (3) Waveguide; (4) Radiador acstico. ........ 19 Figura 9 Equipamento utilizado CompactDAQ e termopares. ............................................................. 20 Figura 10 Esquema do sistema de enchimento e o alimentador. .......................................................... 22

Figura 11 Meio molde inferior, canal de distribuio e ataque na meia caixa de moldao. ............... 23

Figura 12 Imagem do sistema de enchimento e o alimentador. ............................................................ 24

Figura 13 Esquema final antes do vazamento. ...................................................................................... 24

Figura 14 Imagem dos 3 moldes com dimetros de 30,45 e 60 mm e com um comprimento de 130mm. ................................................................................................................................................. 25

Figura 15 Dimenso do alimentador para 30mm.Ter 71mm de comprimento e 47mm de dimetro. 26

Figura 16 Dimenso do alimentador para 45mm.Ter 99mm de comprimento e 66mm de dimetro. 26

Figura 17 Dimenso do alimentador para 60mm.Ter 125mm de comprimento e 83mm dimetro. ... 27

Figura 18 Imagem final dos alimentadores. .......................................................................................... 27

Figura 19 Canal de descida, canal de distribuio e dois canais de ataque. .......................................... 33

Figura 20 Vazamento sem recurso a ultra-sons. ................................................................................... 34

Figura 21 Vazamento da liga com recurso ao uso dos ultra-sons. ........................................................ 35

Figura 22 Esquema de representao da localizao das amostras. ...................................................... 36

Figura 23 Curvas de arrefecimento para dimetro de 30 mm sem vibrao acstica. .......................... 38



Figura 26 Curvas de arrefecimento para dimetro de 30 mm com vibrao acstica........................... 40

Figura 27 Curvas de arrefecimento para dimetro de 45 mm com vibrao acstica. ........................ 40

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Figura 28 Curvas de arrefecimento para dimetro de 60 mm com vibrao acstica........................... 41

Figura 29 Microestruturas de dimetro de 30 mm, da Liga A356 sem qualquer tipo de afinao de

gro com amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................. 42 Figura 30 Microestruturas de dimetro de 45 mm, da Liga A356 sem qualquer tipo de afinao de

gro com amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................. 43 Figura 31 Microestruturas de dimetro de 60 mm, da Liga A356 sem qualquer tipo de afinao de gro com amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................. 44 Figura 32 Microestruturas de dimetro de 30 mm, da Liga A356 com vibrao acstica de 250 W e amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................................. 45 Figura 33 Microestruturas de dimetro de 45 mm, da Liga A356 com vibrao acstica de 250 W e amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................................. 46 Figura 34 Microestruturas de dimetro de 60 mm, da Liga A356 com vibrao acstica de 250 W e amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro). ............................................................................. 47 Figura 35 Relao do tamanho de gro com uso de ultra-sons e sem ultra-sons para dimetro de 30 mm. ....................................................................................................................................................... 49

Figura 36 Relao do tamanho de gro com uso de ultra-sons e sem ultra-sons para dimetro de 45 mm. ....................................................................................................................................................... 50

Figura 37 Relao do tamanho de gro com uso de ultra-sons e sem ultra-sons para dimetro de 60

mm. ....................................................................................................................................................... 50

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NDICE DE TABELAS

Tabela 1 Composio (% em peso) das ligas de alumnio para fundio. ............................................ 17 Tabela 2 Tabela-resumo das caractersticas morfolgicas das microestruturas apresentadas

anteriormente. ....................................................................................................................................... 48

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GLOSSRIO DE TERMOS

Alimentador Massa de metal vazado ao mesmo tempo que a pea, com a funo de fornecer metal liquido ao fundido durante a solidificao, para eliminar os defeitos provocados pela contraco volumtrica do metal, durante o arrefecimento.

Areia Material granular, resultante da desintegrao natural ou artificial de rochas ou depsitos minerais. Apresenta-se em partculas com dimetros normalmente compreendidos entre 0,06 e 2 mm.

Cadinho Recipiente cermico em forma de pote, normalmente com caractersticas refractrias, resistente a altas temperaturas, onde se fundem materiais a altas temperaturas.

Cavitao Formao, crescimento e colapso de bolhas dentro de um lquido.

Desgaseificao Processo fsico de libertao de gs contido no metal lquido.

Escria Conjunto de impurezas removidas do metal lquido antes de comear o vazamento.

Expanso Aumento de volume.

Fundido Componente executado em metal liquefeito e vazado numa moldao.

Impurezas Substncia dentro de uma quantidade confinada de lquido, gs, ou slido, que difere da composio qumica do material composto.

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Microestrutura Caractersticas fsicas do metal que foi fundido e que pode ser observado ao microscpio ptico.

Moldao Conjunto de elementos, fabricado num material refractrio ou numa liga metlica, que, entre outros, contm a cavidade destinada a receber o metal lquido, que aps solidificao d origem a uma pea com a configurao que se pretende.

Rechupe Vazio aberto ou fechado, resultante da contraco no compensada no estado lquido e durante a solidificao.

Ultra-som um som a uma frequncia superior ao limite audvel, aproximadamente 20kHz.

Vazamento Transferncia de metal lquido do cadinho para a cavidade da moldao.


Tese de Mestrado em Engenharia Mecnica 1

1. INTRODUO

A fundio est actualmente na base de quase toda a actividade industrial. Peas geometricamente complexas e de qualquer dimenso podem actualmente ser produzidas por fundio, em qualquer tipo de liga e qualquer que seja a sua futura aplicao. Sectores industriais to diferentes como a indstria automvel, aeronutica e aeroespacial, incorporam grandes quantidades de peas fundidas, o que revela bem o desempenho e vasto domnio de aplicao dos fundidos, e a importncia da fundio no mundo actual.

Na fundio o tratamento por ultra-sons tem sido objecto de estudo no que diz respeito fragmentao dendrtica, afinao de gro e desgaseificao, mas tem tido escala industrial, pouco impacto tecnolgico [1]. O uso de ultra-sons, no alumnio e suas ligas, apresenta ser uma tcnica ambientalmente limpa [2].

Nas ligas de Al-Si, o uso de energia acstica como mecanismo de obteno de estruturas globulares, sem dendrites, um tema que ainda carece de uma maior investigao, uma vez que os seus modelos tericos existentes requerem uma maior validao experimental. O respectivo processo ocorre atravs do fornecimento de vibrao acstica ao banho metlico, o que provoca fenmenos de expanso e compresso no lquido. As oscilaes do origem a cavidades que comeam a pulsar, diminuindo e aumentando de volume, acabando por colapsar aps alguns ciclos. O fenmeno de formao, crescimento e colapso de bolhas designado por cavitao. Aps a expanso e colapso das bolhas, a temperatura diminui nas cavidades, formando-se embries que, so uniformemente distribudos por todo o metal lquido, por aco da agitao do banho pelo ultra-som, dando origem a um grande nmero de ncleos de solidificao que promovem a formao de estruturas globulares. Esta tcnica provoca fragmentao dendrtica [1]. A sua importncia faz-se assim sentir na microestrutura final, podendo-se atingir dimenses mais reduzidas de tamanho de gro, o que proporcionam uma melhoria das propriedades mecnicas.



No mbito deste trabalho o estudo efectuou-se de acordo com o seguinte processo: 1. A liga A356 foi fundida num cadinho e vazada na moldao para ser submetida a um

tratamento por ultra-sons, com imerso do radiador acstico no banho, a uma temperatura de 700C.

2. Seguidamente a liga foi tambm fundida num cadinho e vazada na moldao, mas desta vez sem tratamento por ultra-sons.

3. Por fim a pea fundida foi utilizada para obteno de provetes para realizao da anlise morfolgica da microestrutura, com recurso microscopia ptica.

1.1. Estruturao da tese e objectivos do trabalho

O principal objectivo deste trabalho consistiu no estudo da tecnologia de vibrao por ultra-sons, e a avaliao da sua influncia na morfologia microestrutural para a liga A356.

Esta dissertao est organizada e dividida em 6 captulos: Captulo 1, Introduo, apresenta-se uma breve descrio ao tema do trabalho e

estruturao da tese. Captulo 2, Reviso Bibliogrfica, apresenta-se um conjunto de referncias tericas

encontradas na bibliografia actual, sobre liga de Al-Si, afinao e modificao por adio qumica e por ultra-sons.

Captulo 3, Materiais, Equipamentos e Metodologia Experimental, apresenta-se os procedimentos experimentais realizados e, ainda, a descrio de todos os ensaios realizados.

Captulo 4, Resultados e Discusso, apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos.

Captulo 5, Concluses, apresenta-se as concluses e algumas sugestes para trabalhos futuros.

Captulo 6, Referncias Bibliogrficas.



2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. Ligas de Al-Si

As ligas Al-Si so as mais importantes entre as ligas fundidas de alumnio, principalmente pela sua alta fluidez, baixa contraco nos fundidos, elevada resistncia corroso e baixo coeficiente de expanso trmica [3]. Para alm do mais, a presena do teor em silcio promove uma melhoria nas propriedades mecnicas, nomeadamente, tenses de cedncia, tenses de rotura e ductilidade.

As ligas de alumnio com 5-20% de Si (percentagem em peso) so as mais comuns e igualmente as mais usadas na indstria. A caracterstica marcante destas ligas que elas consistem numa fase primria, de alumnio ou de silcio, e de uma estrutura eutctica composta por esses 2 elementos. Dependendo da quantidade de Si, as ligas podem dividir-se em:

a) Ligas hipereutcticas, as mais comuns, encontram-se na faixa de 13-20% de Si; b) Liga eutctica com 12,6% de Si em peso; c) Ligas hipoeutcticas com teor de Si menor que da liga eutctica.

O efeito do silcio nas ligas de alumnio melhorar a vazabilidade. A adio de silcio no alumnio puro pode melhorar drasticamente a fluidez, reduzindo a formao de rechupes e facilitando a alimentao. Na Figura 1 pode-se ver o diagrama de fases da liga Al-Si.

Entre as ligas comercias Al-Si, destaca-se a liga A356, sendo utilizada em muitas aplicaes tais como na engenharia elctrica, marinha, automvel e aeroespacial [4]. Uma das suas caractersticas mais importantes o facto de ela apresentar baixas quantidades de impurezas e de fases intermetlicas, alm da sua boa fluidez no estado lquido, elevada relao resistncia/peso e baixo custo [5].



Figura 1 Diagrama de fases alumnio-silcio e microestrutura dos componentes puros e liga das vrias composies[6].

2.2. Tratamentos de banhos da liga de Al-Si

As propriedades das ligas de Al-Si dependem do processo de moldao que foi utilizado, visto que este condiciona a velocidade de arrefecimento dos fundidos e, por isso, responsvel pela microestrutura em bruto de vazamento. A adio de alguns elementos de liga, tais como o cobre e o magnsio, possibilitam a execuo de tratamentos trmicos que melhoram as propriedades mecnicas das ligas base.

Mas, a fundio de ligas de alumnio no tarefa fcil, uma vez que so sujeitas obteno de estruturas grosseiras e heterogneas (geralmente dendrticas), bem como absoro de hidrognio durante a operao de fuso, o que obriga a um conjunto de



procedimentos que se designam por tratamento do metal lquido, destinados a refinar a estrutura, reduzir o teor de hidrognio dissolvido (desgaseificao) e modificar a morfologia do silcio eutctico. Modificao do silicio eutctico e afinao do gro so, operaes fundamentais para o desempenho do produto final [7].

2.2.1. Desgaseificao tradicional e por ultra-sons

Desgaseificao pode-se definir como um processo fsico da lenta libertao de gases quando presos. De uma maneira geral, os metais no estado lquido tm tendncia a absorver gases da atmosfera. As ligas de alumnio apresentam uma grande solubilidade de hidrognio no estado lquido (acima de 660C). Entretanto, na solidificao, a solubilidade de H diminui drasticamente, conforme mostra a Figura 2.

Figura 2 Solubilidade do Hidrogenio durante solidificao.

Em decorrncia deste facto, durante a solidificao, cerca de 95% do hidrognio segregado para as ltimas pores de lquido, atingindo teores elevados e promovendo a formao de porosidades em regies interdendrticas. Tais porosidades tm um efeito



prejudicial sobre as propriedades mecnicas, nomeadamente sobre a ductilidade e a resistncia fadiga. A absoro de hidrognio pelo metal lquido ocorre atravs da reduo do vapor de gua.

A eliminao das porosidades decorrentes da absoro de H pode ser obtida de trs formas:

reduzir a absoro de hidrognio durante as etapas de fuso, manuteno e vazamento;

dificultar a nucleao das porosidades;

promover a desgaseificao da liga antes do vazamento;

O processo de desgaseificao o mais utilizado e tradicionalmente realizado por trs processos:

1- desgaseificao por vcuo; 2- utilizao de um gs activo, normalmente cloro, adicionado por meio de pastilhas de hexacloretano ou por um tubo perfurado (cloro gasoso); 3- utilizao de um gs neutro (Ar ou N2) atravs de tubo perfurado; Os dois primeiros processos apresentam uma alta eficincia na remoo do H

dissolvido. Entretanto, apresentam como desvantagem, respectivamente, o custo do equipamento e a toxicidade associada corrosividade do gs cloro.

A utilizao de um gs neutro apresenta como vantagem o baixo custo, mas exige um tempo de tratamento superior, conforme ilustra a Figura 3.



Figura 3 Reduo do teor de H dissolvido no banho com o tempo de desgaseificao.

Com uso de ultra-sons, a cavitao acstica facilita o crescimento de bolhas gasosas. O processo de desgaseificao do banho depende da intensidade do tratamento por ultra-sons, isto , da quantidade de gs, da magnitude da presso sonora e de outros parmetros do metal lquido [8]. Como grandes intensidades de vibrao produzem baixas presses, ento, a eficincia de desgaseificao proporcional intensidade de vibrao [1].

A eficincia da desgaseificao depende da potncia elctrica que, convertida em energia acstica, mas, no afectada pela frequncia de ressonncia e tambm a desgaseificao diminui com o abaixamento da temperatura. Para Eskin [9], o desenvolvimento da cavitao acstica aumenta a eficcia da desgaseificao em cerca de 30-60%, dando ao metal melhores propriedades mecnicas.

Devido ao decrscimo da vibrao por ultra-sons no lquido, a cavitao forma-se sobretudo perto do radiador de ultra-sons e as bolhas so transportadas atravs do metal lquido, por radiao sonora. Desde que as bolhas de cavitao sejam pequenas, e a rea de interface bolhas/metal lquido, grande, a desgaseificao torna-se bastante rpida, se a maior parte das bolhas de cavitao se escapar do lquido. Devido ao fluxo produzido pelas ondas acsticas, as bolhas de cavitao formadas perto do radiador so transportadas rapidamente at superfcie do banho [10][11].



2.2.2. Nucleao

Pode-se definir nucleao como o aparecimento da fase slida de forma estvel no seio da fase lquida, sob a forma de pequenos ncleos cristalinos.

um fenmeno que pode ocorrer com a formao de ncleos directamente a partir do lquido (nucleao homognea) ou com a formao de ncleos sobre superfcies pr-existentes (nucleao heterognea).

2.2.2.1. Nucleao homognea

A nucleao homognea ocorre aleatoriamente em todo o sistema, ou seja, no existem stios preferenciais para a formao de ncleo. Uma condio necessria para este tipo de nucleao que a matriz seja qumica, estrutural e energeticamente homognea. Do ponto de vista experimental questiona-se a ocorrncia ou no da nucleao homognea visto que cada fase real contm algum tipo de defeito, como incluses slidas, impurezas, superfcies estranhas, etc.

Num metal lquido, a nucleao homognea ocorre quando o prprio metal fornece os tomos para formar os ncleos. Quando um metal lquido puro arrefecido abaixo da temperatura de fuso, Tf, criam-se numerosos ncleos homogneos atravs do lento movimento dos tomos que se vo ligando uns aos outros. Para que um ncleo seja estvel, de modo a crescer e formar um cristal, o mesmo deve atingir um raio crtico, r*. Assim um cluster de tomos ligados uns aos outros formam um embrio, se o embrio atingir um tamanho superior que r*, eles crescem e levam cristalizao total. Este processo chamado de nucleao e a taxa na qual os embries da fase estvel aparecem denominada taxa de nucleao.



2.2.2.2. Nucleao heterognea

A nucleao heterognea ocorre no lquido quando h stios preferenciais como contornos de gro, incluses, bolhas, sobre as paredes do recipiente, impurezas insolveis ou outro material presente na estrutura, estas superfcies j existentes diminuem a energia interfacial,, ou energia de superfcie, e portanto h uma diminuio da barreira termodinmica necessria para formar um ncleo estvel.

Nas operaes industriais de vazamento, a nucleao heterognea e no homognea. A Figura 4 ilustra que a superfcie a ser criada pela nucleao a partir de um substrato (nucleao heterognea) menor, (comparada a da nucleao homognea) podendo facilitar o processo, pois exige menor energia de interface (barreira energtica). Observa-se tambm que o ncleo resultante da presena de um substrato (N1) possui menor volume e, portanto, menor nmero de tomos.

Figura 4 Comparao entre as energias envolvidas na nucleao homognea e heterognea.



Para que ocorra nucleao heterognea, o agente nucleante do cristal, a impureza (parede do recipiente) ter que ser banhado pelo metal lquido. O lquido dever igualmente solidificar facilmente sobre o agente nucleante, como ilustrado na Figura 5. Na mesma mostrado um agente nucleante, o substrato que banhado pelo lquido a solidificar.

Figura 5 Superfcie a ser criada pela nucleao a partir de um substrato.

A presena de qualquer tipo de substrato no garantia de facilitar a nucleao, pois depende da tenso superficial entre ncleo e substrato, isto , depende da juno entre ambos que, por sua vez, depende da composio qumica do ncleo e do substrato.

2.2.3. Dendrites

Sabe-se que para a maioria das condies de solidificao, a morfologia dendrtica a caracterstica dominante da microestrutura. Microestruturas dendrticas finas em fundidos, caracterizadas pelos espaamentos dendrticos, so reconhecidas pelas suas propriedades mecnicas superiores, particularmente quando se considera a resistncia traco e ductilidade.

Muitas pesquisas tm sido desenvolvidas para definir os factores que afectam a formao dessas estruturas dendrticas e que mostram relaes entre espaamentos



dendrticos como: concentrao de soluto (Co), Velocidade liquidus (VL), taxa de arrefecimento (T) e gradiente trmico (GL).

Figura 6 Dendrite originada na solidificao.

A Figura 6 mostra o desenvolvimento e a expanso de cada ncleo de cristalizao, originando um tipo de cristal que poderia ser semelhante a uma rvore com os seus ramos; a esse tipo de cristal d-se o nome de dendrite.

As dendrites formam-se em quantidades cada vez maiores at se encontrarem; o seu crescimento , ento, impedido pelo encontro das dendrites vizinhas, originando-se os gros e os contornos de gros, que delimitam cada gro cristalino, formando a massa slida.

2.2.4. Modificao do Silcio

No caso das ligas de Al-Si as suas propriedades esto muito relacionadas, com o tamanho, distribuio da fase secundria das partculas de silcio, morfologia dos gros de alumnio primrio, DAS e porosidades [12]. Este tipo de liga, neste caso Al-Si pode apresentar um volume de eutctico entre 50 a 90%. Com o objectivo de melhorar as propriedades mecnicas, as ligas so geralmente sujeitas a um tratamento de modificao do



silcio eutctico, o qual permite a transformao de uma morfologia acicular em fibrosa [13, 14].

Para Gruzlleski e Closset [15], de entre os vrios constituintes presentes na microestrutura das ligas de Al-Si, o mais importante o constituinte eutctico de silcio para as propriedades mecnicas, nomeadamente a sua morfologia.

2.3. Afinao de gro e modificao do silcio por adio qumica

Apesar de ser muito usado na fundio de ligas de alumnio, os mecanismos de afinao de gro por adio de nucleantes no so ainda totalmente conhecidos [16]. Pode variar de fundio para fundio, levando a resultados diferentes na microestrutura final de ligas semelhantes, podendo no existir afinao at afinao total da liga. A afinao de gro pelas tcnicas actuais faz aumentar a densidade de microporosidades da matriz, diminuindo a dimenso dos poros, atravs de mecanismos para os quais no existe consenso entre os investigadores [16].

No caso da modificao do silcio, quando so adicionados s ligas de Al-Si os modificadores qumicos, estes afectam o crescimento do silcio, alterando a sua morfologia de uma forma acicular grosseira para uma forma mais fina e fibrosa.

2.3.1. Tipos de afinadores de gro

Existem bastantes tipos de afinadores/nucleantes utilizados para o afinamento das ligas Al-Si. Entre estes afinadores esto ligas-me dos sistemas Al-Ti, Al-Ti-B, Al-Ti-C e Al-



B, com composio varivel, cuja seleco depende do maior ou menor grau de afinao que se pretenda e da composio do banho lquido. As quantidades que se devem adicionar devem ser pequenas para que no se verifique alterao da composio base da liga, mas, deve ser suficiente para que possa haver afinao do gro.

Uma alternativa s ligas-me a utilizao de sais ricos em Ti e B, do tipo K2TiF6 e KBF4 [16], disponveis em pastilhas, bastante mais baratos que as ligas-me. Mas, devido ao impacto ambiental que apresenta (formao de escrias ricas em K e F) e variabilidade e inconsistncia dos resultados da afinao, esto a ser abandonadas em detrimento da utilizao de ligas-me [17].

2.3.2. Tipos de modificadores de silcio eutctico

Os elementos qumicos mais comuns na fundio so o sdio e o estrncio [18, 19]. O antimnio, geralmente classificado como um modificador, apresenta melhores resultados quando entendido como afinador de silcio, porque juntamente com fsforo tem o poder de reduzir o tamanho do silcio primrio e eutctico, no afectando a morfologia do mesmo.

Outro grupo de elementos conhecidos como modificadores so o clcio, arsnio, ltio e enxofre [12]. Mas, estes elementos no so muito utilizados porque, juntamente com o antimnio, afectam a eficincia do sdio e/ou estrncio, no favorecendo o aumento das propriedades. As implicaes que a sua utilizao tm na sade e segurana dos operrios, e tambm como a no existncia de mtodos eficientes de adio, limitam muito a sua utilizao.

Na escolha dos modificadores a opo entre a modificao por sdio ou estrncio determinada por vrios factores. A modificao por sdio considerada a mais eficiente, no entanto, o rpido fading, a grande quantidade de fumo e o difcil controlo da operao de adio, tem conduzido a maioria das fundies a optar pela modificao por estrncio [15]. O



maior problema encontrado no uso de estrncio como agente modificador a instabilidade na morfologia do silcio resultante, causada por pequenas variaes de adio [20].

2.4. Afinao de gro e modificao do silcio por ultra-sons

No caso da afinao de gro, a vibrao por ultra-sons pode afectar a nucleao de vrias maneiras. Sendo a temperatura de liquidus da liga funo da presso, pode-se afirmar que a temperatura de liquidus diminui com o aumento de presso. Se a energia acstica for aplicada num um banho prximo da temperatura de liquidus, algumas zonas podem ser sobreaquecidas e outras sobrearrefecidas. Em cada zona, o banho sofre alteraes desde sobrearrefecimento a sobreaquecimento a altas frequncias. Isto resulta na formao de um maior nmero de ncleos slidos.

Outra possibilidade poder dizer-se que os afinadores de gro adicionados ao banho podem tambm ser afectados pelas vibraes causadas pelos ultra-sons, uma vez que uma partcula pode agir como um ncleo e, este mais efectivo sob um certo sobreaquecimento e sobrearrefecimento. A nucleao pode ocorrer no banho a uma temperatura superior temperatura liquidus, correspondendo ao aumento de presso atmosfrica. J foi referido que o tamanho de gro pode ser reduzido quando existem vibraes acsticas aplicadas a temperaturas superiores temperatura liquidus [1].

Eskin [2] mostrou que o tratamento por ultra-sons num banho em regime de cavitao pode produzir uma nova estrutura no dendrtica, ou seja, globular. O requisito fundamental para se obter uma estrutura deste gnero, consiste no aumento de intensidade na nucleao e, formao de um grande nmero de ncleos de cristalizao. Isto, pode ser feito pela molhabilidade das impurezas no metlicas do banho, por aco de cavitao. A principal vantagem destas estruturas globulares reside no aumento da ductilidade do metal, sem que haja diminuio das suas tenses mximas de cedncia e rotura.



No caso da modificao do silcio, a tecnologia ultrasnica, que consiste em fornecer ao banho energia acstica para promover vibrao de alta frequncia e cavitao, para alm da afinao da fase primria de alumnio, apresenta-se como uma alternativa modificao do silcio eutctico nas ligas Al-Si. A conjugao destes dois efeitos conduz a propriedades mecnicas superiores s obtidas com afinao e modificao por via qumica tradicional [21]. Mas, a investigao cientfica em torno da modificao do silcio com uso de ultra-sons bastante diminuta, e est actualmente em fase de desenvolvimento escala laboratorial.

2.4.1. Fragmentao dendrtica

As ondas de choque originadas pela vibrao acstica e a conveco podem originar a fragmentao dendrtica durante a solidificao do banho, causado pela fuso das razes dendrticas, onde os solutos so altamente segregados. A fuso destas razes pode resultar num aumento de temperaturas localizado. A difuso de soluto para fora da dendrite, pode originar a reduo da concentrao de soluto e o aumento da temperatura local. Este efeito tambm pode levar fuso das razes dendrticas.

A vibrao por ultra-sons tambm provoca a agitao do banho, o que leva fragmentao dendrtica. Alm disso, variaes de presses locais levam fuso dessas razes dendrticas, originando uma melhor microestrutura, com pequeno tamanho de gro e homognea [1].

2.4.2. Cavitao acstica

Um dos grandes pr-requisitos para um tratamento de sucesso do banho com o uso dos ultra-sons o desenvolvimento de cavitao acstica. Aqui, presses alternadas no metal lquido geram um enorme nmero de cavidades no banho. A aplicao de uma presso alternada, entre 0.8 e 1.0 MPa, leva propagao de uma onda de ultra-sons, quebrando o



metal lquido em partes e originando descontinuidades que geram espaos de cavitao. Estes espaos formados so bolhas que se situam em zonas de quebra. Parte das bolhas formadas por cavitao no tm tempo para se preencherem com gs solvido no banho e acabam por colapsar, graas aco de compresso das ondas acsticas. Neste caso, as presses podem atingir 1000 MPa e originar flutuaes com velocidades na ordem dos 100 m/s [2].

O processo de cavitao comea intensivamente com a fragmentao das cavidades. Acredita-se que a cavitao acstica no lquido desenvolve-se pelo principio de reaco em cadeia, onde as cavidades formadas nos diferentes ncleos so multiplicadas depois de alguns microsegundos, produzindo uma cavitao funcionalmente activa perto da fonte de ultra-sons. O tamanho desta zona depende da dimenso do radiador de ultra-sons e das propriedades dos lquidos. A cavitao produz pequenas flutuaes e ondas de choque na interface lquido/slido, promovendo uma eroso localizada, responsvel pela limpeza por ultra-sons e fragmentao dendrtica, por exemplo [2]. O fenmeno de cavitao acstica consegue atingir a mxima eficincia na zona de presses negativas de um ciclo ou srie de ciclos, e a nucleao segue tambm como resultado da modificao do equilbrio de temperaturas, causado pela alterao de presses durante o colapso das bolhas de cavitao, ou como resultado do arrefecimento das bolhas por evaporao durante o seu crescimento. Sob estas circunstncias, a cavitao pode ocorrer em vrios pontos no interior do lquido, ou na parede da moldao, a uma frequncia de 50 vezes por segundo [22].



3. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL

3.1. Materiais

Os materiais utilizados para a execuo deste trabalho foram: liga de Al-Si de 2 fuso (A356), areia, bentonite e gua.

3.1.1. Liga

A liga utilizada neste trabalho foi uma liga de Al-Si de 2 fuso (A356), com temperatura de lquidos (618,29 C) e de slidos (566,26 C) respectivamente. Na Tabela 1 pode-se observar a sua composio qumica.

Elementos Al Si Mg Fe Cu Mn Ni Zn Sn Ti

Composio 91,697 7,424 0,585 0,128 0,007 0,002 0,005 0,005 0,003 0,105

Tabela 1 Composio (% em peso) das ligas de alumnio para fundio.

3.1.2. Moldao

O processo utilizado foi moldao em areia verde que responsvel por mais de 60 % da produo mundial de fundidos. O sucesso do processo tem origem em factores como o baixo custo de produo, a simplicidade dos equipamentos e do processo, a possibilidade de



utilizao com quase todas as ligas de fundio, bem como a capacidade de obteno de fundidos com qualquer geometria e dimenso.

O material de moldao utilizado foi areia de slica. Utilizou-se tambm um aglomerante (bentonite) que se usa para manter juntos os gros de areia, bem como para dar e manter a consistncia da moldao durante o armazenamento, transporte e fecho e para resistir eroso provocada pela corrente de metal lquido durante o vazamento. Como propriedades essenciais dever conferir mistura uma boa permeabilidade, dever ser facilmente desagregvel quando o metal j esteja solidificado e dever ter uma reaco limitada quando em contacto com o metal fundido.

Consegue-se a ligao entre os gros de areia atravs da adio de gua mistura.

3.2. Equipamentos

3.2.1. Unidade de fuso

A unidade de fuso utilizada, Figura 7, foi um forno elctrico de resistncias, equipado com um cadinho de carboneto de silcio (SiC) e com 1 litro de capacidade.

Figura 7 Forno de resistncias e cadinho de carboneto de silcio.



3.2.2. Ultra-sons

O ultra-som utilizado para este trabalho constitudo por um gerador de ultra-sons de 1.2 kW, um transdutor de frequncia varivel entre 18 a 25 kHz e um radiador acstico com geometria adequada para este tipo de ensaios. Os parmetros do processo so totalmente controlados por computador, a partir de uma aplicao informtica.

O equipamento de ultra-sons utilizado uma unidade de multi-frequncia modulada e multi-modal, que se distingue dos equipamentos convencionais devido sua capacidade de adaptao ao meio e minimizao dos problemas de atenuao da energia acstica. Assim, consegue-se garantir uma melhor eficincia de tratamentos, pois garante que os parmetros de funcionamento, nomeadamente a frequncia e o comprimento de onda sejam sensivelmente constantes. Os equipamentos utilizados podem ser observados na Figura 8.

Figura 8 (1) Gerador de Ondas; (2) Conversor acstico; (3) Waveguide; (4) Radiador acstico.

2

3

1

4



3.2.3. Termopares

Os termopares so sensores de medio de temperatura que so constitudos por dois condutores metlicos e distintos, puros ou homogneos. So baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substitudos sem introduzir erros relevantes. A sua maior limitao a exactido, uma vez que erros inferiores a 1 C so difceis de obter. A juno de dois metais gera uma tenso elctrica que funo da temperatura. O funcionamento dos Trmopares baseado neste fenmeno, conhecido como o Efeito de Seebeck e define-se como a produo de uma diferena de potencial (tenso elctrica) entre duas junes de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando eles esto a diferentes temperaturas (fora electromotriz trmica).

Neste trabalho foi medida a temperatura em lugares especficos para facilitar a interpretao dos resultados.

Os termopares foram inseridos cerca de 10 mm no molde (Figura 9), para posterior anlise trmica.

Figura 9 Equipamento utilizado CompactDAQ (da National Instruments ) e termopares.

Termopar 1 Termopar 3 Termopar 2



3.2.4. Alimentadores

O arrefecimento de um metal, desde a sua temperatura de fuso at temperatura ambiente normalmente acompanhado por uma reduo de volume significativa, que em fundio se designa por contraco.

O objectivo do uso de alimentadores assegurar o fornecimento de metal lquido pea, para compensar a contraco do metal durante a solidificao. Para isso necessrio que:

a solidificao da pea seja dirigida de forma a que no fiquem bolsas de metal lquido isoladas na pea;

o alimentador seja a ltima zona a solidificar; o alimentador tenha um volume capaz de fornecer a quantidade de metal suficiente

para compensar a contraco.

3.2.5. Sistema de enchimento

No processo de fundio, o metal lquido entra na cavidade da moldao atravs de um sistema de canais que constituem o designado sistema de enchimento. Mais do que um conjunto de canais de transporte de metal lquido, o sistema de enchimento garante que o escoamento de metal se efectua de forma controlada, condio absolutamente necessria, mas no suficiente, para obteno de fundidos isentos de defeitos.

Para alm de conduzir o metal cavidade moldante, o sistema de enchimento regula a forma como o metal entra nessa cavidade, impedindo que o enchimento seja efectuado de forma turbulenta, e evitando o aparecimento de um conjunto de defeitos tpicos de escoamentos turbulentos e descontrolados. Por outro lado, o sistema de enchimento dever ser capaz de reter incluses no metlicas que possam ter entrado na moldao durante o vazamento.



Para cumprir os seus requisitos, o sistema de enchimento compreende um conjunto de elementos com funes diferentes. A Figura 10 mostra o sistema de enchimento e o alimentador proposto para este trabalho.

Figura 10 Esquema do sistema de enchimento e o alimentador.

3.3. Metodologia experimental

3.3.1. Elaborao da moldao

A elaborao das 6 moldaes foi composta vrias etapas. Inicialmente teve-se de preparar a areia de slica. Esta fase de preparao decorre numa mquina misturadora (galga), que permite a mistura da areia, bentonite para dar consistncia e gua. A adio de gua areia feita de modo lento e pausado por forma a permitir uma distribuio homognea da mesma na areia, isto para se garantir uma humidade constante em toda a areia.



Posicionou-se o meio molde inferior, o canal de distribuio e ataque na meia caixa de moldao respectiva, tendo o cuidado de manter as distncias equidistantes em relao s paredes da caixa, Figura 11.

Figura 11 Meio molde inferior, canal de distribuio e ataque na meia caixa de moldao.

Depois de posicionados fez-se o enchimento progressivo da meia caixa de moldao inferior com a areia, aps o que, a areia calcada manualmente com uma ferramenta prpria. De referir ainda que, interessa especialmente que a moldao esteja muito bem calcada em torno de toda a zona onde ir ser vazado o material, de modo a preencher todos os espaos livres uniformemente, pois ser essa zona que ir definir os contornos finais da pea que se pretendem o mais aproximados possvel da pea final;

Depois de pronta a meia caixa de moldao inferior posiciona-se a meia caixa de moldao superior por cima e coloca-se o alimentador, o meio molde superior, o canal de descida e a bacia de vazamento nos respectivos lugares, Figura 12.



Figura 12 Imagem do sistema de enchimento e o alimentador.

Faz-se o resto do enchimento da caixa de moldao com areia, e quando finalizada, separam-se as duas meias caixas e retiram-se os seus componentes, Figura 13.

Figura 13 Esquema final antes do vazamento.



3.3.2. Dimensionamento e construo dos vrios componentes da moldao

No decorrer deste trabalho foram dimensionados e construdos por processos de maquinagem (torneamento e fresagem), os vrios componentes (moldes, alimentadores, canais de descida, canais de distribuio, ataque, bacia de vazamento) que fazem parte da moldao.

No inicio do trabalho foi proposto construir e utilizar trs moldes com dimetros de 30 mm, 45 mm e 60 mm e com um comprimento de 130 mm, Figura 14. Os 3 moldes foram construdos em madeira por processos de torneamento e fresagem no laboratrio de maquinagem no departamento de engenharia mecnica.

Figura 14 Imagem dos 3 moldes com dimetros de 30,45 e 60 mm e com um comprimento de 130 mm.

Seguidamente e atravs de uma aplicao informtica e utilizando os dimetros de 30,45 e 60 mm foram dimensionados os alimentadores, Figuras 15, 16, 17 e por processo de torneamento construdos em madeira Figura 18.



Figura 15 Dimenso do alimentador para 30 mm. Ter 71 mm de comprimento e 47 mm de dimetro.

Figura 16 Dimenso do alimentador para 45 mm. Ter 99 mm de comprimento e 66 mm de dimetro.



Figura 17 Dimenso do alimentador para 60 mm. Ter 125 mm de comprimento e 83 mm dimetro.

Figura 18 Imagem final dos alimentadores.

Depois de elaborados os alimentadores, foram dimensionados e construdos (Figura 19) em madeira, por processos de fresagem e torneamento o sistema de enchimento que composto por os canais de descida, canais de distribuio e ataque, para 30,45 e 60 mm.



Dimensionamento dos canais de descida, distribuio e ataques:

30 mm

Volume do conjunto: Vt= Vp+Va= 91.89 + 122.66= 214.55 cm3 Vp= r2h = 1.5213= 91.89 cm3

Va= r2h = 2.35527.07= 122.66 cm3

Tempo de enchimento: 15 s

Escalonamento: 1 1 1

Comprimento do alimentador (Hi): 7.07 cm; Hf: 7.07-1.5 = 5.57 cm

Comprimento pea (molde): 13 cm

Coeficiente perda de carga: Ld = 6.07 cm Lm = L0+ Ld = 13+6.07 = 19.07 cm L0 = 13 cm

Para este valor de Lm= 19.07cm=0.1907 m, o valor a considerar para o coeficiente de perda de carga ser: B= 1.9

Seco do canal de descida:

Sd =

Sd = ..

. ..



Sd = 2.4 cm2

Sendo, Sd =

2.4= .

d = 1.7cm = 17 mm

Seco do canal de distribuio: Escalonamento:1 1 1; Sc = Sd= 2.4 cm2

Uma vez que os lados so aproximadamente iguais e, para um canal de distribuio,

teremos: a = 2.4 = 1.55 cm= 15.5mm

Seco de ataque: Escalonamento:1 1 1; Sa = Sd= 2.4 cm2

Usando 2 ataques, fica: Sa = . = 1.

Usando a=2b, fica: Sa= b2b= 2b2

b = . =0.774cm= 7.74 mm a = 2b = 27.74= 15.5 mm

45 mm

Volume do conjunto: Vt= Vp+Va= 206.75 + 335.97= 542.72 cm3 Vp= r2h = 2.25213= 206.75 cm3

Va= r2h = 3.2929.88= 335.97 cm3





Comprimento do alimentador (Hi): 9.88 cm; Hf: 9.88-2.25 = 7.63 cm



Para este valor de Lm= 22.88 cm=0.2288 m, o valor a considerar para o coeficiente de perda de carga ser: B= 1.9


Sd =

Sd = ..

. .. Sd = 5.2 cm2

Sendo, Sd =

5.2= .

d = 2.5cm = 25 mm





teremos: a = 5.2 = 2.28 cm= 22.8 mm


Usando 2 ataques, fica: Sa = . = 2.6 cm

3


b = . =1.14cm= 11.4 mm a = 2b = 211.4= 22.8 mm

60 mm

Volume do conjunto: Vt= Vp+Va= 367.5 + 678.50= 1046 cm3 Vp= r2h = 3213= 367.5 cm3

Va= r2h = 4.16212.48= 678.5 cm3



Comprimento do alimentador (Hi): 12.48cm; Hf: 12.48-3.0 = 9.48 cm





Para este valor de Lm= 24.48 cm=0.2448 m, o valor a considerar para o coeficiente de perda de carga ser: B= 1.9


Sd =

Sd = .

. .. Sd = 9.1 cm2

Sendo, Sd =

9.1= .

d = 3.4cm = 34 mm



teremos: a = 9.1 = 3.02 cm= 30.2 mm




Usando 2 ataques, fica: Sa = . = 4.55 cm

3


b = . =1.5cm= 15.1 mm a = 2b = 215.1= 30.2 mm

Figura 19 Canal de descida, canal de distribuio e dois canais de ataque.

3.3.3. Fuso e desgaseificao

Em todos os ensaios realizados, as cargas foram colocadas no cadinho com peso pr-determinado no interior do forno, seguidamente fundidas, aquecidas at temperatura de 70010C, e mantidas a essa temperatura, para homogeneizar o metal, durante 15 minutos. Aps a homogeneizao, procedeu-se desgaseificao com rgon, durante 5 minutos e com um caudal de 5l/min. Aps a fuso e desgaseificao do material, o cadinho foi transportado at moldao para posterior vazamento.



3.3.4. Ensaios sem ultra-sons

Aps a fuso e desgaseificao, o cadinho foi transportado at moldao e a liga foi vazada a 700C na moldao, Figura 20. Este ensaio foi sem recurso ao uso de afinao por ultra-sons. Durante a solidificao do metal lquido tambm foram medidas as temperaturas em determinados pontos do molde atravs dos termopares. Foram feitos 3 vazamentos, um para cada dimetro (30 mm,45 mm e 60 mm), respectivamente.

Figura 20 Vazamento sem recurso a ultra-sons.

3.3.5. Ensaios com ultra-sons

Aps a desgaseificao, a liga foi vazada a 700C na moldao. Introduziu-se, ento, a extremidade do radiador acstico no banho (entre 15 a 20 mm de profundidade), Figura 21 e iniciou-se o fornecimento de energia acstica, utilizando uma frequncia de 19.8 0.1 kHz e uma potncia elctrica de 250 W. Durante a solidificao do metal lquido tambm foram



medidas as temperaturas em determinados pontos do molde tais como nos ensaios sem ultra-sons. Foram tambm feitos 3 vazamentos, um para cada dimetro (30 mm, 45 mm e 60 mm).

Figura 21 Vazamento da liga com recurso ao uso dos ultra-sons.

3.4. Tcnicas de caracterizao trmica e microestrutural

3.4.1. Caracterizao trmica

A anlise trmica foi elaborada com recurso ao uso de termopares, que foram inseridos 10 mm no molde, como foi referido anteriormente neste trabalho. Nos ensaios sem ultra-sons e com recurso aos ultra-sons, foram medidas as vrias temperaturas (em trs pontos), para facilitar a interpretao dos resultados das curvas de arrefecimento.

3.4.2. Caracterizao microestrutural

Aps arrefecimento at temperatura ambiente, foram retiradas amostras e preparadas para caracterizao microestrutural. Os cilindros obtidos foram cortados com um disco



abrasivo, de forma a obter trs amostras por zonas (inicio, meio e fim) por cada ensaio, Figura 22. O molde tem 130 mm de comprimento e os provetes foram retirados com 10 mm de comprimento cada.

Figura 22 Esquema de representao da localizao das amostras.

As superfcies de interesse foram sujeitas a um desbaste com lixas de SiC (gro 180, 320, 600, 1200 e 2400) e posterior polimento final em diamante com granulometria de 6 m e 1 m. O processo de limpeza foi feito com lcool etlico, seguido de secagem.

Com o auxlio do microscpio ptico foi feito o ensaio metalogrfico no centro de cada provete.

Aps a obteno das imagens no microscpio ptico procedeu-se ao processamento das imagens obtidas e os trabalhos de medio (medio de reas mdias das partculas de silcio, medio de SDAS e tamanho mdio de gro) foram efectuadas com a aplicao informtica Image-Pro Plus.

Utilizou-se a seguinte relao para calcular o tamanho mdio de gro:

Tamanho mdio de gro D = 2 #$

Provetes retirados para anlise microscpica



4. RESULTADOS E DISCUSSO

4.1. Anlise Trmica

4.1.1. Sem vibrao acstica

O alumnio foi vazado na moldao aos 700 C (temperatura de vazamento). No momento do vazamento ligou-se o software labview, onde com os termopares se comeou a medir as vrias temperaturas de solidificao at chegar aos 566 C (temperatura final de solidificao).

Nos grficos, Figuras 23, 24 e 25, (termopar 1 junto do canal de descida, termopar 2 no centro e termopar 3 junto do alimentador), pode-se constatar que o termopar 1 o que leva menos tempo a solidificar, seguidamente termopar 2 e finalmente no termopar 3 o que demora mais tempo a solidificar. Apesar de todos terem o mesmo tempo inicial de solidificao, o termopar 3 tem um tempo final de solidificao maior que o termopar 2 e o termopar 1, logo o tempo total de solidificao do termopar 3 ser maior e demorar mais tempo a solidificar, como se pode verificar nos grficos.

Tambm se pode constatar nos grficos que dos trs termopares o termopar 3 o que tem uma maior temperatura inicial de solidificao, e o termopar 1 o que tem menor temperatura inicial.



Figura 23 Curvas de arrefecimento para dimetro de 30 mm sem vibrao acstica.


530

540

550

560

570

580

590

600

610

620

0 100 200 300 400 500

Te

mp

era

tura

(C

)

Tempo (s)

Termopar1

Termopar2

Termopar3

550

560

570

580

590

600

610

620

0 100 200 300 400 500

Te

mp

era

tura

(C

)

Tempo (s)

Termopar1

Termopar2

Termopar3




4.1.2. Com vibrao acstica

Com vibrao acstica o processo foi semelhante ao anterior (sem vibrao acstica), a nica diferena foi o uso do ultra-som. Ligou-se o ultra-som no inicio do vazamento e retirou-se por volta dos 580 C antes de chegar aos 566 C (temperatura final de solidificao).

Na anlise dos grficos, Figuras 26, 27 e 28, pode-se constatar que os resultados so similares ao processo sem ultra-som, visto que tambm o termopar 3 o que demora mais tempo a solidificar e o termopar 1 o que demora menos tempo.

530

540

550

560

570

580

590

600

610

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0 100 200 300 400 500 600 700 800

Te

mp

era

tura

(C

)

Tempo (s)

Termopar1

Termopar2

Termopar3



Figura 26 Curvas de arrefecimento para dimetro de 30 mm com vibrao acstica.


530

540

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0 100 200 300 400 500

Te

mp

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)

Tempo (s)

Termopar1

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Te

mp

era

tura

(C

)

Tempo (s)

Termopar1

Termopar2

Termopar3




4.2. Microestrutura

As microestruturas representadas neste captulo so relativas regio central, inicio e fim do fundido (ver Figura 22).

4.2.1. Sem vibrao acstica

Dimetro de 30 mm

A Figura 29 apresenta o ensaio realizado sem qualquer tipo de afinao de gro por vibrao acstica para dimetro de 30 mm.

Pode-se verificar a existncia de dendrites, com um espaamento dos braos dendrticos secundrios (SDAS Secondary Dendritic Arm Spacing) de cerca de 42,7 m (a), 49,6 m (b) e 52,4 m (c). O tamanho mdio de gro medido atravs do software IMAGE Pro-Plus de 227,76 m (a), 193,91 m (b) e 177,85 m (c). A rea das lamelas de silcio de 275,47 m2 (a), 263,77 m2 (b) e 253,8 m2 (c).

550

560

570

580

590

600

610

620

0 100 200 300 400 500 600

Te

mp

era

tura

(C

)

Tempo (s)

Termopar1

Termopar2

Termopar3



Figura 29 Microestruturas das amostras com dimetro 30 mm, da Liga A356 sem qualquer tipo de afinao de gro com amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro).

a

c

b



Dimetro de 45 mm A Figura 30 apresenta o ensaio realizado sem qualquer tipo de afinao de gro por

vibrao acstica para dimetro de 45 mm. Possui mais dendrites do que no ensaio anterior, com braos bastante alongados e, um espaamento dos braos dendrticos secundrios de cerca de 51,35 m (a), 57,44 m (b) e 61,17 m (c). Apresenta um tamanho mdio de gro inferior que o anterior de 210,15 m (a), 185,36 m (b) e 161,18 m (c). As lamelas de silcio tm uma rea mdia de cerca de 412,13 m2 (a), 406,26 m2 (b) e 397,44 m2 (c).


a b

c



Dimetro de 60 mm A Figura 31 apresenta o ensaio realizado sem qualquer tipo de afinao de gro por

vibrao acstica para dimetro de 60 mm. Pode-se verificar uma estrutura grosseira e heterognea, com braos muito alongados e, um espaamento dos braos dendrticos secundrios (SDAS Secondary Dendritic Arm Spacing) de cerca de 63,2 m (a), 68,5 m (b) e 73,48 m (c). O tamanho mdio de gro medido atravs do software IMAGE Pro-Plus de 197,22 m (a), 172,74 m (b) e 148,34 m (c). A rea das lamelas de silcio para este dimetro de 554,48 m2 (a), 543,46 m2 (b) e 518,29 m2 (c).


b a

c



4.2.2. Com vibrao acstica

Dimetro de 30 mm A Figura 32 representa a microestrutura obtida atravs de um tratamento por ultra-

sons e uma potncia elctrica de 250 W, para uma temperatura de vazamento de 700 C. A microestrutura apresenta alguma homogeneidade, sendo composta por alguns gros globulares com tamanho mdio de 186,64 m (a), 130,61 m (b) e 103,64 m (c) e, ainda, presena de algumas dendrites. A rea das lamelas de silcio medido para esta amostra de 260,52 m2 (a), 248,27 m2 (b) e 235,44 m2 (c).

Figura 32 Microestruturas das amostras com dimetro 30 mm, da Liga A356 com vibrao acstica de 250 W e amplificao de 50X. (a, c extremidades; b centro).

a b

c



Dimetro de 45 mm A Figura 33 foi obtida atravs de um ensaio com vibrao por ultra-sons, com

potncia elctrica de 250 W. Atravs da anlise visual pode-se observar tambm alguma homogeneidade, com tamanho mdio de 180,83 m (a), 146,77 m (b) e 116,34 m (c). Nesta figura, observa-se uma reduo de estruturas dendrticas na matriz Al-, que se pode dever a um fenmeno de fragmentao dendrtica ou nucleao heterognea, induzida pela cavitao acstica. As lamelas de silcio apresentam uma rea mdia de 378,13 m2 (a), 346,88 m2 (b) e 331,65 m2 (c).


b a

c



Dimetro de 60 mm

A Figura 34 apresenta a microestrutura obtida a partir de um tratamento por vibrao acstica, com uma potncia elctrica equivalente a 250 W. Analisando a figura, pode-se ver a reduo de dendrites. O tamanho mdio de gro situa-se nos 168,88 m (a), 140,66 m (b) e 109,11 m (c). A rea das lamelas de silcio de 518,01 m2 (a), 497,48 m2 (b) e 460,51 m2 (c).


a b

c



A tabela seguinte corresponde tabela-resumo das caractersticas morfolgicas das microestruturas apresentadas anteriormente.

Dimetro (mm)

Potncia (W) Tamanho Mdio de

Gro (m) rea Mdia das

lamelas de Si (m2) 30 (a) - 227,76 275,47 30 (b) - 193,91 263,77 30 (c) - 177,85 253,8 45 (a) - 210,15 412,13 45 (b) - 185,36 406,26 45 (c) - 161,18 397,44 60 (a) - 197,22 554,48 60 (b) - 172,74 543,46 60 (c) - 148,34 518,29 30 (a) 250 186,64 260,52 30 (b) 250 130,61 248,27 30 (c) 250 103,64 235,44 45 (a) 250 180,83 378,13 45 (b) 250 146,77 346,88 45 (c) 250 116,34 331,65 60 (a) 250 168,88 518,01 60 (b) 250 140,66 497,48 60 (c) 250 109,11 460,51

Tabela 2 Tabela-resumo das caractersticas morfolgicas das microestruturas apresentadas anteriormente.



4.2.3. Efeito da potncia elctrica do ultra-som nas caractersticas morfolgicas da microestrutura

Os grficos apresentados nas Figuras 35, 36 e 37 representam o tamanho do gro, em diferentes regies, inicio, meio e fim (Figura 22). Os grficos referem-se aos ensaios com vibrao acstica (250 W) e sem vibrao acstica. Pela anlise possvel perceber que os ultra-sons tm bastante influncia na afinao de gro, relativamente s amostras no afinadas por vibrao acstica. As microestruturas obtidas por vibrao acstica apresentam menor tamanho de gro, relativamente quelas no tratadas por ultra-sons. A potncia acstica demonstra ser um parmetro de grande importncia uma vez que, promove uma maior eficincia na afinao de gro.

Figura 35 Relao do tamanho de gro com uso de ultra-sons e sem ultra-sons para dimetro de 30 mm.

0

50

100

150

200

250

Inicio (30mm) Meio (30mm) Fim (30mm)

Ta

ma

nh

o d

e g

ro

(

m)

Sem ultra-som

Com ultra-som





0

50

100

150

200

250


Ta

ma

nh

o d

e g

ro

(

m)

Sem ultra-som

Com ultra-som

0

50

100

150

200

250


Ta

ma

nh

o d

e g

ro

(

m)

Sem ultra-som

Com ultra-som



5. CONCLUSES

O principal objectivo deste trabalho consistiu no estudo da tecnologia de vibrao por ultra-sons, e a avaliao da sua influncia na morfologia microestrutural para a liga A356.

A utilizao de vibrao por ultra-sons ganha especial destaque por ser uma tecnologia de afinao de gro ambientalmente limpa.

A partir da anlise dos resultados verifica-se que:

- O uso de rgon para desgaseificao faz com que a liga melhore as suas propriedades ao eliminar os gases contidos na liga.

- A utilizao de vibrao acstica promove a fragmentao dendrtica, como se verifica pela anlise das microestruturas.

- A energia acstica na solidificao tem grande importncia na afinao de gro, uma vez que consegue diminuir o tamanho mdio de gro.

- A velocidade de arrefecimento tem um impacto directo na morfologia do gro. Quanto maior for a velocidade de arrefecimento menor ser o tamanho mdio de gro.

- Na anlise trmica pode-se verificar que quanto mais perto do alimentador, o tempo de solidificao ser maior.

Como concluso final podemos considerar o trabalho elaborado como satisfatrio pois atingiu as expectativas que eram reduo do tamanho mdio de gro.



5.1. Propostas para trabalhos futuros

O conhecimento obtido atravs do desenvolvimento desta tese pode ser consideravelmente ampliados atravs de um trabalho mais exaustivo. Por agora ficam as seguintes sugestes para trabalhos futuros:

- Analisar o efeito do uso dos ultra-sons nas propriedades mecnicas atravs de ensaios de traco.

- Efectuar simulaes de analise trmica, recorrendo ao SolidWorks Flow Simulation. - Elaborao de coquilhas metlicas com dimetros de 30,45 e 60 mm para

comparao com moldao em areia. - Realizao destes ensaios numa outra liga Al-Si de forma a dar continuidade e maior

validade a este trabalho.



6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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Documents

Tese de mestrado - Armindo nº38033.pdf