CALOR TOTAL EXTRAÍDO DE LIGAS Al-Sn APÓS PROCESSO EXPERIMENTAL DE SOLIDIFICAÇÃO

R. L. SANTOS1 ; S. A. A. IGREJA2; A. G. P. FERREIRA3; M. R. M. PALHETA4; M. B. CARLOS5; F. A. GONCALVES6; L. G. GOMES7

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – IFPA, Av.

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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo mostrar, experimentalmente, a relação entre física (termodinâmica), matemática (modelos científicos) e solidificação de metais, através da determinação do calor total extraído da liga Al-Sn, estabelecer relação teórica-experimental e contribuir para o ensino-aprendizado dos alunos de engenharia. Os valores reais obtidos no laboratório de solidificação do Curso de Engenharia de Materiais do IFPA/Campus Belém durante as experimentações de solidificação foram propostos, elaborados, desenvolvidos e aplicados na disciplina solidificação de metais com o objetivo de obter 1,2 Kg da liga Al-10%Sn e calcular o calor total extraído do sistema metal molde. A liga foi estequiometricamente elaborada, na proporção exata de solvente (Al) e do soluto (Sn). Curva de resfriamento [T = f(t)] da respectiva liga foi obtida para identificar as temperaturas necessárias para o cálculo. O resultado encontrado é comparado com os valores teóricos e o calor total analisado concomitante com as propriedades termofísicas da respectiva liga.

Palavras Chaves: Calor total; sistema de solidificação; liga Al-Sn;

propriedades termofísicas

1. INTRODUÇÃO

Em aplicações tribológicas, ligas dos sistemas Al-Sn têm uma participação

marcante. As ligas Al-Sn são conhecidas por terem boas propriedades

tribológicas e mecânicas e têm participação marcante nas aplicações

industriais, fazendo com que este sistema de ligas seja adequado para

aplicações que exigem uma satisfatória resistência ao desgaste, por exemplo,

em mancais de deslizamento [Yuan, 2000; Neale, 1995]. Devido à limitada

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solubilidade sólida do Sn no Al, espera-se que as condições de solidificação

rápida afetem significativamente as propriedades tribológicas através de uma

modificação na microestrutura. Apesar do grande uso de ligas Al-Sn em

aplicações tribológicas, estudos correlacionando resistência ao desgaste e

microestrutura ainda são muito insuficientes. Também inexistem estudos na

literatura visando caracterizar a evolução microestrutural de ligas Al-Sn em

uma ampla faixa de condições de solidificação, típicas de processos industriais.

Por outro lado, a solidificação de materiais pode ser considerada

fundamentalmente como um processo de transferência de calor e massa, que

gera a estrutura final, da qual depende o comportamento mecânico do material.

Com o mesmo objetivo, estuda-se neste trabalho, as práticas de fundição da

liga Al-10%Sn para que o líquido possa escoar e preencher completamente os

contornos geométricos do molde é necessário que o vazamento desse líquido

ocorra a uma temperatura superior àquela que dá início à transformação

líquido/sólido. A diferença entre essa temperatura de vazamento e a

temperatura de transformação denomina-se superaquecimento, ou seja:

ΔTV = TV – TF (A)

onde:

ΔTV – superaquecimento;

TV – temperatura de vazamento;

TF – temperatura de fusão.

Segundo Garcia (2007), na ausência de superaquecimento, o calor a ser

removido para que ocorra a solidificação, é:

Q = m L (B)

onde:

Q – calor a ser removido;

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m – massa do material;

L – calor latente de fusão.

Entretanto, na presença de superaquecimento, a quantidade de calor a ser

removida é determinada através de equação que envolve os calores sensível e

latente, isto é;

Q = m CL (TV – TF) + m L (C)

onde, CL é o calor específico do material na fase liquida.

Para os dois casos acima analisados, a Figura 1 representa esquematicamente

as curvas de resfriamento de um material puro, com e sem superaquecimento,

nota-se somente um patamar temperatura de transformação de fase de sólido

para liquido, representada pela temperatura de fusão (TF):

Figura 1. Representação esquemática do processo de solidificação em

condições de: (a) sem superaquecimento e (b) com superaquecimento. (Garcia

2007).

De maneira geral, o calor total a ser extraído nas condições representadas na

Figura 1(b) é calculado pela soma das parcelas parciais de calores sensível e

latente durante o processo de solidificação, ou seja:

(b)

(a)

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Q = mcL(TV − TF) + mL + mcS(TF − T0) (D)

Onde, cS é o calor específico do material solidificado, e T0 é a temperatura

ambiente, ou qualquer temperatura abaixo da temperatura de solidificação do

material. Para o presente trabalho esta temperatura é considerada a final do

processo, isto é, quando o registrador de temperaturas é desligado.

No caso de uma liga metálica, com dois componentes (sistema binário),

solvente e soluto, o de maior e menor quantidade, respectivamente na

formação da liga, a curva de resfriamento, ao contrário do metal puro,

apresenta-se com duas temperaturas de transformação de fases: TL, conhecida

como temperaturas liquidus, definida como a temperatura de início da

solidificação e TS, conhecida como temperatura solidus, definida como a

temperatura de final do processo de solidificação, abaixo da qual a liga se

encontra totalmente no estado sólido, conforme representado pelos gráficos

mostrados na Figura 2.

Na condição mostrada na Figura 2 (b) o calor total extraído é calculado da

seguinte forma:

Q = mcL(TV − TF) + mL (1) + mcSL(TL − TS) + mL(2) + mcS(TS − T0) (E)

(a) (b)

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Onde, CSL é o calor específico do material em condições de fases

sólido/liquido, no qual o mesmo se encontra em equilíbrio entre as

temperaturas liquidus (TL) e solidus (TS). O valor de CSL pode ser calculado da

seguinte forma:

cSL = cL+L/(TL-TS) (F)

Os valores dos calores referentes às parcelas ml (1) e (2), inseridos na

Eq. (E), são devidos às liberações dos calores latentes durante as mudanças

de fases de líquido para líquido/sólido e líquido/sólido para sólido,

respectivamente, conforme esquematizados na Figura 3.

Assim sendo, este trabalho tem como objetivo calcular experimentalmente

o calor total extraído de um sistema metal molde para 3 ligas metálicas

pertencentes ao sistema binário Al-Sn.

Figura 3. Representação esquemática de mudança de fases nas temperaturas

TL e TS

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2. MATERIAIS E MÉTODOS

Foi utilizada a liga do sistema, Al-Sn, com teor de soluto de 10%. A Tabela 1 apresenta a composição química dos elementos puros utilizados para preparar a liga binária. Tabela 1. Composição química dos metais usados para preparação das ligas Al-Sn estudada.( Cruz, 2008)

1,2 kg da liga foi preparada no laboratório de solidificação do curso de

Engenharia de Materiais do IFPA-Campus Belém, nas proporções exatas de

todos os componentes (solvente e soluto) e os equipamentos mostrados na

Figura 4 foram utilizados na elaboração da mesma.

A Figura 5, mostra de forma esquemática o planejamento experimental

das atividades desenvolvidas pelos alunos de Iniciação Científica no laboratório

do IFPA.

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Figura 4. (a) Balança eletrônica (b) Cadinho de Carbeto de Silício e (c) Forno

elétrico de fusão Tipo Mufla

Figura 5.Fluxograma representativo das atividades executadas durante o

procedimento experimental deste trabalho

Para execução do planejamento experimental, descrito na Figura 5, foi

pensado, projetado e montado um dispositivo de solidificação, conforme a

Figura 6.

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(1) Termopares, (2) Field Logger, (3) software do computador e aquisição de dados, (4) alimentação de água, (5) do recipiente de água, (6) da bomba de água, (7) rotâmetro, (8) de entrada da água, (9) de saída da água, (10) e dispositivo de solidificação direcional, (11) controlador de temperatura e (12) cadinho.

Figura 6. Representação esquemática do sistema experimental de obtenção

das curvas de resfriamento das ligas Al-Sn estudadas. (Adaptado de ARAÚJO,

2015)

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Figura 7 representa um esquema físico do processo de solidificação

simulado neste trabalho. Em suma, a liga Al- 10%Sn será vazada no interior

do recipiente (molde), representado pelo cadinho da Figura 7. O calor total é

extraído pelas paredes laterais e parte superior do molde.

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Figura 7.Elemento de referência representativo do sistema metal/molde

(Rocha, 2003; Garcia, 2007)

A Figura 8 apresenta as curvas de resfriamento (CR) experimentais obtidas

para as ligas estudadas após o processo de solidificação. Observa-se que as

CR de cada liga informam os valores de TV, TL e TS. Os valores obtidos das

temperaturas TL e TS são comparados com as informadas pelo diagrama de

equilíbrio de fases do sistema binário Al-Sn mostrado pela Figura 8.

Figura 8. Diagrama de fase construído no software Termo – Calc (Cruz 2008)

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Figura 9. Curva de Resfriamento da liga Al-10% Sn obtida experimentalmente

Observa-se pela Figura 9 que as temperaturas experimentais obtidas para TL e

TS correspondem muito bem àquelas informadas pelo diagrama de equilíbrio de

fases do sistema binário Al-Sn (Fig. 8). A temperatura de vazamento da liga no

cadinho, indicada pela Figura 2, é de aproximadamente 7500C.

4 . CONCLUSÕES

Considerando o objetivo proposto para o presente trabalho, as seguintes

conclusões podem ser extraídas:

a) Os valores experimentais encontrados para as temperaturas TL e TS estão

muito bem representadas pelos valores nominais indicados no diagrama de

equilíbrio de fases da respectiva liga o que nos permite concluir que os

percentuais em peso dos elementos de liga (solvente e soluto) foram

estequiometricamente pesados nas proporções exatas;

b) As temperaturas TV, TL, e TS determinadas experimentalmente poderão ser

utilizadas para o cálculo dos parâmetros operacionais (T), que controlam o

processo de solidificação na indústria de fundição, permitindo, através dos

mesmos, calcular os calores totais extraídos do sistema metal/molde, através

da determinação experimental das parcelas de calores sensíveis e latentes.

5 . AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o CNPq pela concessão das bolsas de iniciação

cientifica, a Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação do IFPA e o IFPA-

Campus Belém, pelo apoio financeiro e infra-estrutura.

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6 . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GARCIA, A. Solidificação: fundamentos e aplicações. Campinas, SP:

Editora da Unicamp, 2007.

GOMES, L.G. Microestrutura Dendritica, Macrossegregação e

Microporossidade na Solidificação de Ligas Ternarias Al-Si-Cu. Tese

(Doutorado) – Universidade de Campinas, 2012.

PERES, M. D. Desenvolvimento da Macroestrutura e Microestrutura na

Solidificação Unidirecional Transitória de Ligas Al-Si. 2005. Tese

(Doutorado) - Universidade de Campinas, Campinas, 2005.

ROCHA, O. F. L. Análise Teórico-Experimental da Transição

Celular/Dendritica e da Evolução da Morfologia Dendrítica na

Solidificação Unidirecional em Condições de Fluxo de Calor Transitório.

Tese de Doutorado, Unicamp, Campinas – são Paulo, 2003.

SIQUEIRA, C. A. F. Influência de parâmetros térmicos de solidificação na

transição colunar/equiaxial, Tese de Doutorado, UNICAMP-FEM-DEMA,

Campinas – São Paulo. 2002.

HEAT TOTAL EXTRACTED ALLOYS Al – Sn AFTER EXPERIMENTAL

PROCEDURE SOLIDIFICATION

ABSTRACT

This work aims to show experimentally the connections between physics (thermodynamics), mathematics (scientific models) and solidification of metals, by determining the total heat extracted from the Al – Sn alloy, establish theoretical – experimental connections and contribute to the teaching and learning of engineering students. The actual values obtained in the laboratory solidification of Materials Engineering course IEPA /Belém Campus during Solidification experiments have been proposed, designed, developed and

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applied in the course of solidifyng metal in order to obtain 1.2 kg of alloy Al – 10% Sn and calculate the total heat extracted from the metal mold system. The alloy was estoichiometrically produced in the exact proportion of solvent ( Al) and solute (Sn) . Coaling curve [T=f (t) ] of the respective alloy was obtained to identify the temperatures needed for the calculation. The results found are compared with theoretical values and the total heat analyzed concomitantly with the thermophysical properties of the respective alloy.

KEY-WORD: Total Heat; solidification systen; Al – Sn alloy; thermophysical

properties.

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