Lingotes Estrutura de solidificação dos lingotes Genericamente é possível identificar três regiões diferentes em um lingote após solidificação de uma liga metálica: - a região mais externa denominada zona regelada contendo grãos equiaxiais, - uma zona colunar com grãos colunares, e - uma zona central de grãos equiaxiais, figura 1. equiaxial colunar coquilhada Figura 1. Representação esquemática da estrutura de grão encontrada em um lingote coquilhada No vazamento o liquido que entra em contato com as paredes do molde frio é rapidamente resfriado abaixo da temperatura liquidus, consequentemente formam-se muitos núcleos sólidos na parede do molde que vão crescer. À medida que a parede do molde vai aquecendo, é provável que muitos dos cristais que já se formaram se desliguem da parede do molde em consequência da turbulência do metal liquido. Se a temperatura de vazamento for baixa, o liquido irá resfriar rapidamente abaixo da temperatura liquidus e os cristais que se soltaram terão chance de continuar crescendo nucleação big-bang, pois o liquido é rapidamente cheio de pequenos cristais, apresentando uma estrutura
equiaxial, sem região colunar. No entanto se a temperatura de vazamento for elevada, o liquido no centro do lingote permanecerá acima da temperatura liquidus por um tempo maior e os cristais que se soltaram voltarão a se fundir, apenas os cristais que permaneceram junto à parede do molde irão se desenvolver. colunar Pouco depois do vazamento do metal no molde o gradiente de temperatura na parede do molde diminui e os cristais na região regelada crescem, desenvolvendo dendritas em determinas direções cristalográficas. Os cristais cuja direção estiver próxima da direção do fluxo de calor, ou seja, perpendicular às paredes do molde, crescem mais rapidamente podendo prevalecer sobre outros com orientação menos favorável. Isto leva à formação de grãos colunares todos com a direção praticamente paralela ao eixo da coluna. Cada cristal colunar contem várias braços de dendritas primárias, sendo que à medida que aumenta o diâmetros destes grãos aprecem mais braços primários. equiaxial A zona equiaxial consiste de grãos equiaxiais aleatoriamente orientados no centro do lingote. A formação desta região pode ser atribuída a braços secundários das dendritas que se desprendem da dendrita primária. Desde que a temperatura do liquido diminua antes deste pedaço de sólido volte a fundir, ele pode atuar como agente de nucleação. Assim quanto maior a temperatura de vazamento, menor a tendência para se formarem grãos equiaxiais.
Defeitos de solidificação A figura 2 apresenta uma representação esquemática dos tipos de segregação possíveis de observar em um lingote. Vazios de contração - Rechupes Segregados A Segregação decorrente do topo do lingote ser o último a resfriar Segregados V Bandas Cone de segregação negativa Figura 2. Representação esquemática dos defeitos de solidificação em um lingote (+ segregação positiva, - segregação negativa) Efeito de contração A maioria dos metais contrai ao solidificar, o que acarreta em consequências importantes para a estrutura final do lingote. Em ligas que apresentam um região de solidificação estreita, à medida que se forma o sólido, a liquido restante vai diminuindo continuamente em relação ao volume disponível, até que, quando a solidificação se completa, o lingote apresenta uma cavidade central denominada de rechupe ( figura 3). Em ligas que apresentam uma região de solidificação grande, o liquido vai escoado para a regiões que sofreram contração em consequência da solidificação que vai ocorrendo. No entanto estas ligas podem apresentar porosidades interdendriticas, decorrentes da contração sofrida pelo liquido que escoou para entre os braços das dendritas.
Figura 3. Esquema da seqüência do fenômeno de contração durante a solidificação num molde de fundição, com o vazio ou chupagem resultante. [Chiaverini, vol. II, Tec. Mec&anica]. Segregação Dois tipos de segregação podem ser observadas em estruturas de solidificação: macrosegregação (variação de composição em distâncias comparáveis ao tamanho do lingote) e microsegregação (variação de composição que ocorre na escala da distância entre braços de dendritas secundários. Ë possível ocorrer diferenças de composição em um grão ou dendritas na solidificação fora do equilíbrio, provocando o fenômeno de coroamento. Quatro fatores contribuem para a macrosegregação observada nos lingotes: a) contração de solidificação e contração térmica, b) diferenças de densidade no liquido interdendrítico c) diferenças de densidade entre o sólido e o liquido d) correntes de convecção decorrentes pelas diferenças de densidade no liquido induzidas pela temperatura. Todos estes fatores contribuem para uma segregação macroscópica, pois causam transferência de massa em longas distâncias durante a solidificação. O efeito de contração pode provocar um fenômeno denominado de segregação inversa: à medida que as dendritas colunas aumentam de espessura o liquido mais rico em soluto escoa ocupando o espaço entre as dendritas com o intuito de compensar a contração, isto resulta em um aumento da concentração do soluto nas regiões mais externas do lingote em relação ao seu centro. O fluxo de liquido interdendrítico também pode ocorrer por gravidade, quando o elemento rejeitado pelo sólido aumenta a densidade do liquido e este afunda. Este fenômeno pode ser reforçado pelas correntes de convecção de correntes das diferenças de temperatura no lingote. Os efeitos da gravidade podem ainda ser observados quando da formação dos cristais equiaxiais: sendo o sólido mais denso que o liquido,
quando ele afunda cria uma região de segregação negativa no fundo do lingote, já que ele é menos rico no soluto que o liquido. Seja qual for processo que leva à formação de segregação, esta é indesejável tendo um efeito negativo sobre as propriedades mecânicas. Os efeitos da microsegregação podem ser ultrapassados através de tratamentos térmicos de homegenização, no entanto devido às baixas velocidades com que a difusão ocorre nos sólidos é praticamente impossível de remover a macrosegregação (figura 4), isto só será possível através de um bom controlo do processo de solidificação. Referências Chapa laminada com segregação 1. Ana Sofia C. M. de Oliveira. Apostila de Solidificação Curso de Especialização em Engenharia de Mayteriais Metálicos. UFPR, 2001. 2. V. Chiaverini. Tec. Mecâniva, vol II. 3. G. de Almeida Soareas. FUNDIÇÃO: Mercado, Processos e Metalurgia, abril de 2000.