ESTUDO COMPARATIVO ENTRE A MICROESTRUTURA E MICRODUREZA DA LIGA ZN-9%SN SOLIDIFICADA UNIDIRECIONALMENTE DESCENDENTE

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1 ESTUDO COMPARATIVO ENTRE A MICROESTRUTURA E MICRODUREZA DA LIGA ZN-9%SN SOLIDIFICADA UNIDIRECIONALMENTE DESCENDENTE V.C.S. de Oliveira; D.F. de Lima; R.M. Bernardo; C.A. de Siqueira Filho; R.A. Lima. Universidade Federal da Paraíba-UFPB-Centro de Tecnologia Cidade Universitária, s/n Castelo Branco, João Pessoa- PB. R: Juiz Domingues Porto, Cruz das Armas, João Pessoa-Pb Resumo As características mecânicas dos produtos fundidos dependem fortemente dos parâmetros de solidificação. Em função disto o presente trabalho teve desenvolve uma análise correlacional da microestrutura e a microdureza Vickers para a Liga Zn-9%Sn solidificada unidirecionalmente descendente. A utilização desta liga dar-se-á em função do baixo custo, além de um ponto de fusão relativamente baixo comparado a outras ligas comerciais, tornando-a uma boa alternativa industrial para diversos campos de aplicação.os resultados caracterizaram a ocorrência de uma zona de grãos colunares orientados paralelamente segundo a extração de calor até o centro do lingote, onde se observou uma transição para grãos equiaxiais. Em relação a microestrutura observou-se que os espaçamentos dendríticos secundários aumentaram de acordo com o afastamento da zona da refrigeração metal/molde localizada no topo do lingote, o contrário foi observado para os valores de microdureza Vickers, onde estes tenderam a uma diminuição com o avanço para o centro do lingote. Palavras Chave: Solidificação unidirecional, Espaçamento dendrítico secundário, Microdureza Vickres. 6688

2 INTRODUÇÃO A fundição é um dos mais antigos e o mais versátil processo de fabricação de componentes metálicos. Os diversos processos de fundição permitem produzir desde milhões de peças de pequeno tamanho até poucas peças pesando várias toneladas.(1) O processo squeeze casting é um processo inovador dentro dos processos de fundição, no qual o metal vazado no estado liquido é solidificado sob pressão dentro de uma coquilha metálica fechada por um punção. Este processo possui grande potencial para automatização e altas taxas de produção. O produto produzido por squeeze casting é de alta qualidade e o processo permite fundir peças finas. (2) O processo começa quando o metal fundido é despejado na metade inferior de um molde pré-aquecido. Assim que o metal começa a solidificar, a metade superior da matriz fecha e começa a aplicar pressão durante o processo de solidificação. A extensão da pressão aplicada é significativamente menor do que na forja. Peças de grande detalhe podem ser produzidas. A alta pressão e o contato próximo da liga fundida com a superfície da matriz metálica resulta em mínima porosidade e propriedades mecânicas melhoradas. Este processo pode ser usado para metais ferrosos e não ferrosos. (3) Já o processo de solidificação unidirecional é um processo inovador dentro dos processos de fundição, no qual o metal vazado no estado liquido é solidificado com auxílio de um extrator de calor baseado na passagem de um fluido refrigerante por um compartimento que ficará em contato com o metal liquido. Neste dispositivo, a solidificação evolui no mesmo sentido ao da ação da gravidade, com o peso próprio do lingote atuando no sentido de deslocar o mesmo do contato com a base refrigerada. (4,5) As do sistema Sn-Ag e Sn-Zn têm sido objetos de estudos para a substituição da tradicional liga Sn-Pb em soldagem devido à toxicidade do chumbo e complicações no descarte e práticas não apropriadas na reciclagem dos componentes contendo esse metal. Desde o final dos anos 90, alguns estudos têm mostrado vantagens do uso de ligas do sistema Sn-Zn na posição de liga alternativa para substituição daquela contendo Pb, devido ao seu baixo ponto de fusão, excelentes propriedades mecânicas e baixo custo em soldagem (6,7) As características mecânicas dos produtos fundidos dependem fortemente dos parâmetros de solidificação, como tamanho de grão, espaçamentos celulares ou dendríticos, além de heterogeneidades de composição química. Em função disto, o presente trabalho teve por objetivo desenvolver uma análise experimental da liga Zn- 9%Sn solidificada unidirecionalmente descendente e pelo processo de squeeze casting com relação a microestrutura e com a microdureza Vickers. 6689

3 MATERIAIS E METODOS Para este estudo foi escolhida uma liga de composição zn-9%sn em massa. Tanto o Zinco como o Estanho utilizados, foram metais comercialmente puros. Todos os matérias foram cortados na serra de fita SBS da AGRA e pesados na balança SHIIMADZU modelo UX6200H. Após a pesagem o material foi depositado em um cadinho de carbeto de sílicio revestido por uma camada protetora de alumina. O forno utilizado foi do tipo mulfla, fabricado pela Fornos Jung modelo 4213, aquecido por um gerador de resistência de saída de 6KW. A liga foi vazada a uma temperatura de 10% da Tl (Temperatura liquidus de 400 ), sendo assim a Tv (temperatura de vazamento) foi de 440, a temperatura foi monitorada por um termopar do tipo K. Atingida a Tv, a liga foi vazada numa lingoteira de aço 1020 e solidificada pelo processo de squeeze casting com tempo de prensagem de 5 segundos e com pressão de 50MPa como também solidificada unidirecionalmente descendente em uma lingoteira de aço 1020, com água como fluido refrigerante. Após a solidificação os lingotes foram cortados ao meio longitudinalmente. Metade do lingote foi utilizado para análise de espaçamento dendrítico e a outra metade foi utilizado para análise de microdureza Vickers. Espaçamento dendrítico Na análise de espaçamento dendrítico a parte do lingote selecionada para essa análise foi seccionada em 4 partes latitudinais com sentido da base para o topo do lingote. Após cortadas as peças passaram pelo lixamento mecânico refrigerado a água. As lixas utilizadas foram de 100, 220, 320, 400, 0, 800, 1000, 1200 mesh tendo uma variação de 90 de uma para outra. Em seguida as peças foram polidas em uma politriz modelo PLF utilizando pasta de diamante. Para revelar a microestrutura foi utilizado ataque químico com reagente Nital, em solução de 95 % de etanol e 5 % de ácido nítrico, com tempo de permanência de 10 segundos. As peças foram analisadas no microscópio modelo BX41RF-LED da OLYMPUS CORPORATION que conectado ao computador permitiu a medição dos espaçamentos dendriticos através do programa AnalySIS Imager(8). Microdureza Vickers Para análise de microdureza Vickers a parte do lingote selecionada para essa análise foi seccionada em 4 partes latitudinais com sentido da base para o topo do lingote. As peças passaram por lixamento mecânico refrigerado a água com lixas de granulometria de mesh tendo uma variação de 90 de uma para outra, similar a análise de espaçamento dendritico. Em seguida as peças foram polidas e atacadas com mesma pasta de polimento e reagente químico utilizado na análise de espaçamento dendritico. A aferição da microdureza foi realizada em um microdurometro HMV-2T da SHIMADZU CORPORATION que conectado ao computador permitiu a medição das durezas através do programa Microsolf Excel. 6690

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Microestrutura Os gráficos abaixo foram obtidos pela média das 4 peças. Na Figura 1 vemos que, da posição 1 a posição 4 da interface metal/molde, houve uma tendência a linearidade do espaçamento dendrítico secundário. A Figura 2, demonstra que houve uma pequena variação da no espaçamento dendrítico da posição 1 para a posição 2 e uma tendência a linearização nas demais posições da interface metal/molde. Uma análise comparativa, Figura 3, nos mostra que o espaçamento dendrítico no processo de squeeze casting é menor que no unidirecional descendente, embora os valores tenham sido muito próximos devido aos dois modos utilizarem lingoteiras de aço. A média dos pontos das 4 peças, não tiveram tanta variação, indicando pouca convecção térmica. 100 Espaçamento Dendritico Secundario l Liga Zn-9%Sn Unidirecional 20 D2 D4 D6 D8 Posição a partir da interface metal/molde Figura 1 Gráfico espaçamento dendrítico versus posição no molde em solidificação unidirecional 100 Espaçamento Dendritico Secundario l Zn-9%Sn Squeeze P2 P4 P6 P8 Posiçoes a partir da interface metal/molde Figura 2 - Gráfico espaçamento dendrítico versus posição no molde em squeeze casting 6691

5 Espaçamento Dendritico Secundario Squeeze Casting Unidirecional 0 P2 P4 P6 P8 Posição a partir da interface metal/molde Figura 3 comparativo unidirecional squeeze casting Microdureza A Figura 4 demonstram que houve grande variação nos valores de dureza Vickers na liga solidificada por solidificação unidirecional. A Figura 5 mostra uma pequena tendência decrescente nos valores de dureza Vickers para a liga solidificada pelo processo squeeze casting com uma acentuação da taxa de decrescimento da peça 6 para a Liga Zn-9%Sn unidirecional descendente 90 Dureza Vickers ( HV) Posição apartir da interface Metal/Molde Figura 4 Dureza Vickers em função da posição do molde em solidificação unidirecional 6692

6 55 Liga Zn-9%Sn Squeeze Casting Dureza Vickers ( HV) P2 P4 P6 P8 Posição apartir da interface Metal/Molde Figura 5 - Dureza Vickers em função da posição do molde em squeeze casting CONCLUSÃO Os resultados obtidos caracterizaram a ocorrência de uma zona de grãos colunares orientados paralelamente segundo a extração de calor até aproximadamente o centro do lingote, onde se observou uma transição para grãos equiaxiais. Em relação a microestrutura observou-se que os espaçamentos dendríticos secundários aumentaram de acordo com o afastamento da zona da refrigeração metal/molde localizada no topo do lingote, o contrário foi observado para os valores de microdureza Vickers, onde estes tenderam a uma diminuição com o avanço para o centro do lingote. 6693

7 REFERÊNCIAS (1) Baldam, R. L; Vieira, E. A., Fundição : processos e tecnologias correlatas, 2. ed. rev., São Paulo : Érica, 2014 (2) Ferreira, J. M. G. de C., Tecnologia da Fundição, Fundação Calouste Gulbenkian, pp , 1999 (3) (4) Silva, J. N. S. da Projeto de construção e aferição de um dispositivo de solidificação unidirecional horizontal refrigerado a agua, 2007, 97f, Dissertação de Mestrado Universidade do Pará, Bélem, 2007 (5) Spinelli, j. e. Influência da convecção no liquido nas variáveis térmicas e estruturais na solidificação descendente de ligas Sn Pb (6) (7) Islam, r.a., Chan, y.c., Jillek, w., Islam, s., "Comparative study of wetting behavior and mechanical properties (microhardness) of Sn-Zn and Sn-Pb solders", Microelectronics Journal, v. 37, n. 8, pp , August (8) http// 6694

8 ABSTRACT COMPARATIVE STUDY OF ZN-9%SN SOLIDS UNIDIRECTIONALLY DESCENDED ZN-9 ALLOY MICROHARDNESS The mechanical properties of the cast products depend strongly on the solidification parameters, such as grain size, cellular or dendritic spacing, and chemical composition heterogeneities. As a result, the present work aimed to develop an experimental analysis of the microstructure and its correlation with Vickers microhardness for the Zn-9% Sn alloy solidified unidirectionally descending in transient regime, the use of this alloy will be due to the low cost, besides a relatively low melting point compared to other commercial alloys, making it a good industrial alternative for several fields of application. The results obtained characterize the occurrence of a zone of columnar grains oriented parallel to the heat extraction until approximately the center of the ingot, where a transition to equiaxial grains was observed. Regarding the microstructure, it was observed that the secondary dendritic spacings increased according to the spacing of the metal / mold cooling zone located at the top of the ingot, the opposite was observed for the Vickers microhardness values, where these tended to decrease with the to the center of the ingot. Keywords: Unidirectional solidification, Secondary dendritic spacing, Vickres microhardness. 6695