CARACTERIZAÇÃO METALOGRÁFICA DA ESTRUTURA NA LIGA Al- 10%Cu SOLIDIFICADA UNIDIRECIONALMENTE EM MOLDES DE AÇO E COBRE COM 63 MM DE ESPESSURA

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1 CARACTERIZAÇÃO METALOGRÁFICA DA ESTRUTURA NA LIGA Al- 1%Cu SOLIDIFICADA UNIDIRECIONALMENTE EM MOLDES DE AÇO E COBRE COM 63 MM DE ESPESSURA Hélido Cleidson de Oliveira Sena,Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: helido.sena@ig.com.br Denílson Santos Fernandes, Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: dsantos@ufpa.br Darci Augusto Moreira, Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: raimaia@ig.com.br Raimunda Figueiredo da Silva Maia, Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: raimaia@ig.com.br José Maria do Vale Quaresma, Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: jmdovale@ufpa.br Resumo A importância da metalografia na caracterização de materiais puros ou ligas metálicas requer uma gama de análises estruturais, propriedades e em seu processamento. Como parte de um estudo feito nesta liga binária, solidificada unidirecionalmente pela extração de calor em moldes de aço e cobre com 63 mm de espessuras, procurou-se correlacionar suas fotos micrográficas obtidas via microscopia ótica e eletrônica a evolução estrutural sofrida durante este processo. As amostras foram retiradas de posições intermediárias do lingote fabricado. O reagente utilizado foi o Cáustico (1 g de NaOH para 9 ml de H 2 O); Metals Handbook, ASM Tal reagente mostrou como o esperado, o aparecimento de dendritas e a evolução das estruturas ao longo do processo de solidificação unidirecional, variando de acordo com a posição em relação a interface metal/molde, induzindo a ocorrência de diferentes velocidades de solidificação associada a evolução da microestrutura. Na análise de microscopia eletrônica obteve-se a composição química do soluto (Cu) variando em diferentes pontos para a avaliação da segregação deste na referida liga do sistema binário, mostrando fases escuras (rica em alumínio) e fases claras (rica em cobre). Palavras-chave: Liga Al-1%Cu, solidificação unidirecional, reagente cáustico, microscopia eletrônica. 1. INTRODUÇÃO O processo de solidificação é usado pelo homem desde a pré-história, no entanto o estudo no campo da ciência é relativamente recente, e vigora os avanços que têm sido feitos para o entendimento do comportamento mecânico e das estruturas cristalinas dos materiais.

2 Muitos métodos têm sido utilizados na caracterização da estrutura interna dos metais, e um importante caminho para esse exame, é a caracterização metalográfica, no qual a metalografia têm grande importância na caracterização de materiais, seja para a análise estrutural das propriedades de metais puros ou ligas metálicas, ou em seu processamento; e sendo esta uma das mais importantes especialidades do estudo da metalurgia e da ciência dos materiais no mundo moderno. As ligas fundidas do sistema binário Al-Cu têm sido estudada com bastante interesse na classe das ligas comerciais, e hoje, como base de estudos recentes nessa área, tem-se usados amostras retiradas do lingote solidificado, em virtude de uma avaliação de seu comportamento microestrutural que modifica constantemente devido a extração de calor que sofre perante as espessuras do molde de 63 mm de aço e cobre. Contudo, essa mudança se dá aumentando também a velocidade de solidificação, e que por sua vez, diminui os espaçamentos dendritícos ao longo do processo de solidificação. A presença do cobre nas ligas de alumínio (Al-Cu), tem como objetivo elevar a resistência à corrosão e à tração. No alumínio puro e nas ligas resistentes a corrosão, uma camada fina de óxido na superfície do metal é a causa das suas passividades.(l. Wang, 1995). 2. MATERIAIS E METÓDOS No presente estudo, utilizou-se uma liga de Al-1%Cu solidificada unidirecionalmente em moldes de aço e cobre de 63mm de espessuras, com o objetivo de avaliar a evolução microestrutural via microscopia óptica e eletrônica. As amostras para a análise metalográfica foram retiradas de posições estratégicas do lingote fabricado, nas posições de 7, 14 e mm de distância da interface metal/molde. Para a análise metalográfica o reagente utilizado foi o Cáustico (1 g de NaOH para 9 ml de H 2 O), para a medição dos espaçamentos dendritícos. Abaixo, apresenta-se os equipamentos e acessórios, bem como um esquema ilustrativo do posicionamento dos termopares em relação a interface metal/molde. Figura 1. Ilustração do procedimento para o vazamento do metal líquido (liga Al-1%Cu), mostrando o lingote fabricado em seguida e indicando os pontos estratégicos (7, 14 e mm) da interface metal/molde durante o processo de solidificação unidirecional até a caracterização metalográfica.

3 (a) (b) Figura 2. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde e da posição dos termopares: (a) vista superior evidenciando o plano de calor da leitura térmica; (b) vista lateral do sistema com ênfase para a espessura do molde; posição e profundidade dos termopares e abertura em forma de funil da câmara de vazamento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Estes revelaram o aparecimento de dendritas ou a evolução das estruturas ao longo do processo de solidificação unidirecional, induzindo a ocorrência de diferentes velocidades de solidificação perante cada molde e a heterogeneidade da segregação do soluto na liga de Al-1%Cu, como pode ser visto nas Figuras 3 e Análise das Estruturas Obtidas via Caracterização Metalográfica Sob a Ação do Reagente Cáustico Amostras da Liga Al-1%Cu Molde de Aço (63 mm) Reagente NaOH Molde de aço 63 mm 24 mm Esp. Dend. Sec. λ mm 7 mm Posição (x) Figura 3. Conjunto de fotos micrográficas relativos às posições: (a) 7 mm, (b) 14 mm e (c) mm; distantes da interface metal/molde. Observa-se a evolução do tamanho das dendritas ao longo do processo de solidificação unidirecional. Ataque 8 min. 5x.

4 Amostras da Liga Al-1%Cu Molde de Cobre (63 mm) Reagente NaOH Esp. Dend. Sec. λ Molde de Cobre 63mm 14 mm 7 mm mm Posição (x) Figura 4. Conjunto de fotos micrográficas relativos às posições: (a) 7 mm, (b) 14 mm e (c) mm; distantes da interface metal/molde. Observa-se a evolução do tamanho das dendritas ao longo do processo de solidificação unidirecional. Ataque 8 min. 5x. Nos resultados acima é possível observar a evolução das estruturas ao longo do processo de solidificação unidirecional. Os espaçamentos dendritícos crescem à medida que à frente de solidificação afasta-se da interface metal/molde, ou seja, o crescimento destes desde o início da solidificação até seu término, é indicativo de menores velocidades de solidificação ao longo deste processo. Apesar do molde de cobre apresentar propriedades termofísicas maiores do que as do aço, isto não está refletindo nos seus tamanhos de espaçamentos dendritícos significativamente Análise da Composição Química Obtida via Microscopia Eletrônica A microscopia eletrônica vem se revelando importante auxiliar para a caracterização metálica principalmente na avaliação da segregação do soluto. É evidente que o tamanho da estrutura é importante para a avaliação do material e que fica mais caracterizada quando se conhece os agentes envolvidos neste fenômeno, quais procedimentos foram utilizados no seu processamento experimental. Na Figura 5 pode ser visto a fotomicrografia de uma região dendrítica e a captura de uma região interdendrítica (detalhe). (a) (b) Figura 5. (a) Fotomicrografia de uma região dendrítica, de cor cinza escuro rica em alumínio e (b) detalhe da região interdendrítica revelando a cor clara rica em cobre da liga Al-1% Cu.

5 Nas Figuras 6 e 7, obtidas através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MVE), tem-se os gráficos da evolução da segregação do soluto, neste caso o cobre, associado a foto micrografia à leitura feita. Os picos das curvas dos gráficos testemunham a presença de cobre nos teores do eutético do sistema Al-Cu assim como identificam sua localização nas regiões interdendríticas, regiões claras. Por outro lado, os vales das curvas (pontos baixos) testemunham a presença maciça de alumínio nas regiões dendríticas, regiões cinza escuro. PERCENTAGEM DE COBRE PERCENTAGEM DE COBRE NA LIGA AL-1%Cu MOLDE DE AÇO (63mm); POSIÇÃO C2 P4 P2 P3 P5 P P6 POSIÇÃO Figura 6. Ilustração do percentual de cobre (composição química) obtidos na análise do Microscópio Eletrônico de Varredura para o molde de aço (63 mm), avaliando estes percentuais ao longo de uma faixa limitada de pontos observados no eutético (fase clara rica em cobre) e da solução primária (fase escura rica em alumínio). PERCENTAGEM DE COBRE NA LIGA Al-1%Cu 6 MOLDE DE COBRE (63 mm); POSIÇÃO 21mm PERCENTAGEM DE COBRE P6 P2 P4 P8 P7 P3 P P8 POSIÇÃO Figura 7. Ilustração do percentual de cobre (composição química) obtidos na análise do Microscópio Eletrônico de Varredura para o molde de cobre (63 mm), avaliando estes percentuais ao longo de uma faixa limitada de pontos observados no eutético (fase clara rica em cobre) e da solução primária (fase escura rica em alumínio). 4. CONCLUSÕES O processo de solidificação unidirecional mostra que qualquer que seja o material do molde, utilizado para o resfriamento térmico do metal ou liga, será observada a relação crescente das estruturas ao longo deste.

6 O reagente cáustico (NaOH) mostrou-se um bom reagente metalográfico para a revelação das micrografias (dendritas). O crescimento dendrítico, ao longo do processo de solidificação unidirecional e de acordo com a posição em relação a interface metal/molde (7, 14 e mm), deixa evidente que o processo de solidificação evolui com velocidade decrescente à medida em que a leitura térmica é feita mais afastada da interface metal/molde. Menores velocidades de solidificação provocam a ocorrência de dendritas maiores e mais frágeis. Comparativamente tanto o aço como o cobre apresentaram semelhante desempenho, apesar de se conhecer que o cobre tem maior capacidade em transferir calor. Na análise em que foi usada a microscopia eletrônica foram obtidos valores de composição química para a avaliação da segregação do soluto que cresce, independente do tamanho das dendritas, do centro para a periferia, apresentando nas regiões dendríticas fases cinza escuro ricas em alumínio compatíveis com a matriz da liga Al-1%Cu e nas regiões interdendríticas, fase clara, apresentando concentrações de soluto (Cu) compatíveis com o eutético do referido sistema binário. 5. AGRADECIMENTOS O Grupo de Pesquisa em Engenharia de Materiais GPEMAT, agradece à empresa ALUBAR METAIS S.A. pela colaboração através da doação de insumos bem como às bolsas pagas aos alunos envolvidos, agradece também ao PIBIC/CNPQ e a Universidade Federal do Pará pelas bolsas de iniciação científica e o apoio financeiro para a participação em eventos desta natureza. 6. REFERÊNCIAS Robinson, J.M., Serrated flow in aluminium base alloys ; International Materials Reviews, Vol. 39, Nº6, pp ; Wang, L.; Makhlouf, M. and Apelian, D.; Aluminium die casting alloys: alloy composition, microstructure, and properties-performance relations ; International Materials Reviews; Vol. 4; Nº6, pp ; ASM Handbook, Metallography and Microstructures; Vol. 9; Ringer, S. P. and Hono, K; Microstructural Evolution and Age Hardening in Aluminium Alloys: Atom Probe Field-Lon Microscopy and Transmission Electron Microscopy Studies. Elsevier Science Inc.;. METALOGRAPHIC CHARACTERIZATION OF STRUCTURES THE Al- 1%Cu ALLOY SOLIDIFIED UNIDIRECTIONALY IN STEEL AND COPPER MOLDS WITH 63 MM OF THICKNESS Hélido Cleidson de Oliveira Sena, Federal University of Para, Augusto Corrêa Street, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: helido.sena@ig.com.br Denílson Santos Fernandes, Federal University of Para, Augusto Corrêa Street, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: dsantos@ufpa.br Darci Augusto Moreira, Federal University of Para, Augusto Corrêa Street, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: raimaia@ig.com.br Raimunda Figueiredo da Silva Maia, Federal University of Para, Augusto Corrêa Street, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: raimaia@ig.com.br José Maria do Vale Quaresma, Federal University of Para, Augusto Corrêa Street, Nº 1, Guamá, Belém Pará, CEP: jmdovale@ufpa.br

7 Abstract The importance of the metalograph in the characterization of pure and metallic materials it requests a range of structural analyses, properties and in your processing. As part of a study done in this binary alloy solidified unidirectionaly by the heat extraction in steel and copper molds with 63 mm of thickness, it tried to correlate their macrographic pictures obtained through optic and electronic microscopy the structural evolution suffered during this process. The samples were removed of intermediate positions of the manufactured ingot. The reagent used was the Caustic (1 g of NaOH for 9 ml of H 2 O); Metals Handbook, ASM The reagent showed as the expected, the dendrites emergence and the evolution of the structures along of unidirectional solidification process, varying in agreement with the position in relation to metal/mold interface; inducing the occurrence of different solidification speeds associated the evolution of the microstructure. In the analysis of electronic microscopy was obtained the chemical composition of the solute (Cu) varying in different points for the evaluation of the segregation of this referred alloy of the binary system, showing dark phases (rich in aluminum) and clear phases (rich in copper). key Words: Al-1%Cu alloy, unidirectional solidification, reagent caustic, electronic microscopy.