6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
th
6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
th
th
April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
AVALIAÇÃO TÉRMICA, MECÂNICA E ESTRUTURAL DE UMA LIGA DE
AL-EC COM TEORES DE ZIRCÔNIO PARA FINS DE DISTRIBUIÇÃO E
TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Kazuo de Almeida Kamizono, [email protected]
Patrick dos Santos Nogueira, [email protected]
Luanna Nayara dos Santos Costa, [email protected]
Fernanda Ohashi Jardim, [email protected]
Thalita Maria Pontes Moutinho, [email protected]
José Maria do Vale Quaresma, [email protected]
1
Universidade Federal do Pará, Universidade Federal do Pará - Rua Augusto Corrêa, 01 - Guamá. CEP 66075-110.
Caixa postal 479, Belém – Pará – Brasil.
Resumo: A análise da transferência de calor na solidificação apresenta essencialmente dois objetivos: a determinação
de distribuição de temperaturas no sistema metal/molde e a determinação da cinética da solidificação, para a
determinação dos parâmetros térmicos e operacionais, por serem decisivos para a formação da estrutura final dos
produtos, causando reflexo no comportamento mecânico dos mesmos. Este trabalho é proposto em vistas destas
considerações para: i] avaliar o efeito de dois teores de Zr sobre a afinidade metal/molde do Al-EC por ser uma liga
de alumínio com boa condutividade elétrica; ii]a conseqüência dessa afinidade sobre a velocidade de solidificação e
taxa de resfriamento; iii] bem como caracterizar a ação dos parâmetros termofísicos sobre a macroestrutura de
solidificação. Primeiramente houve a preparação das ligas Al-EC com [0,05 e 0,11]%Zr para a determinação da
temperatura liquidus de cada uma. O vazamento unidirecional horizontal realizou-se em presença do gás argônio
para restringir a presença do hidrogênio e de porosidades. A partir das curvas obtidas com o auxílio de termopares
estrategicamente posicionados na câmara de vazamento e acoplados a um registrador térmico foi possível plotar os
gráficos das temperaturas em função do tempo em cada posição para em seguida construir-se equações experimentais
que possibilitaram a obtenção das curvas para a Velocidade de Solidificação e a Taxa de Resfriamento. A análise das
micrografias das fraturas após ensaios de tração foi feita em um microscópio eletrônico de varredura (MEV) LEO. As
macrografias foram analisadas em um microscópio óptico modelo LEICA. Como resultado, observou-se que com o
aumento da distância da interface metal/molde o tamanho médio do EDS tende a aumentar, isto é observado nos dois
teores. E o que teve menor teor teve maiores EDS. Em geral, com o aumento do tamanho do grão, a resistência
mecânica do material tende a diminuir. Com os resultados das medições de EDS e dos valores obtidos de LRT do
material observa-se que os menores espaçamentos apresentam maiores valores de LRT.
Palavras-chave: Alumínio Eletrocondutor, Molde Unidirecional Horizontal, Resistência Mecânica.
1.
INTRODUÇÃO
A solidificação metálica pode ser considerada fundamentalmente como um processo de transferência de calor em
regime transitório. A transição líquido/sólido é acompanhada por liberação de energia térmica, com uma fronteira
móvel separando as duas fases de propriedades termofísicas distintas. A análise da transferência de calor na
solidificação apresenta essencialmente dois objetivos: a determinação da distribuição de temperaturas no sistema
material/molde e a determinação da cinética da solidificação.
As microestruturas com menores espaçamentos interdendríticos permitem uma distribuição mais homogênea de
produtos segregados, de inclusões e de poros, que não puderam ser completamente eliminados antes da solidificação.
Rooy (1992) em experiências com liga Al-Si (A356), Quaresma et al (2000) com ligas Al-Cu, e Osório et al (2002,
2003) com ligas Zn-Al, demonstraram que os limites de escoamento e de resistência à tração podem ser correlacionados
com os espaçamentos dendríticos e que aumentam com a diminuição destes parâmetros estruturais.
O alumínio é um metal de baixa massa específica (2,75 g/cm3 para o Al puro), possui estrutura cristalina cúbica de
face centrada (CFC) e, junto com o magnésio, faz parte do grupo conhecido por ligas leves. Possui muito boa
resistência à corrosão, sendo utilizado em ambientes de atmosfera marinha e nos meios líquidos aquosos. Devido à sua
elevada condutividade elétrica é muito utilizado como condutor de eletricidade. A condutividade elétrica de um
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
condutor fabricado com liga 1350 [Al-EC] é cerca de 62% da condutividade do cobre (%IACS). Após estudos
realizados por vários pesquisadores do grupo GPEMAT, foi definida uma liga de alumínio com uma base que agregasse
um bom limite de resistência à tração e uma boa condutividade elétrica.
Na vanguarda de ligas para transmissão e distribuição estão as ligas termorresistentes (TAL) que tem maior
aplicação em países de clima tropical como o Brasil, onde as linhas atingem maiores temperaturas de operação. O Al,
com adição de pequenas quantidades de Zr, tende a formar ligas com características de termorresistividade.
2.
OBJETIVO
O objetivo do trabalho consiste em percorrer o caminho que vai desde a solidificação de lingotes da liga 7000
registrar a evolução de temperatura ao longo do processo, obter as curvas de solidificação e, destas, as curvas de
velocidade da frente de solidificação e realizar a caracterização mecânica e microestrutural após a solidificação, a fim
de obter melhor amostragem da influência da instabilidade causada pela segregação de soluto e solvente na interface
liquido/sólido tem nas morfologias estruturais.
3.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Ligas Termorresistentes (TAL)
Na vanguarda de ligas para transmissão e distribuição estão as ligas termorresistentes (TAL) que tem maior
aplicação em países de clima tropical como o Brasil, onde as linhas atingem maiores temperaturas de operação. O Al,
com adição de pequenas quantidades de Zr, tende a formar ligas com características de termorresistividade.
Uma liga termorresistente (TAL) é aquela que suporta maiores temperaturas de operação sem deteriorar suas
propriedades mecânicas, conseqüentemente haverá aumento da ampacidade do cabo, pois suportando maior temperatura
poderá suportar maior efeito joule e o projeto sofre significativo aumento de confiabilidade, pois a linha terá maior
capacidade ao suportar variações de corrente elétrica seja por picos de demanda ou por fenômenos atmosféricos
indesejados como descargas elétricas.
Um condutor termorresistente pode transportar até 50% mais energia do que os cabos tradicionais CAA (Cabo de
Al com Alma de Aço), sendo assim ideal para re-capacitação de linhas sobrecarregadas utilizando a infra-estrutura já
existente além de atender a segurança ambiental quanto aos riscos decorrentes dos efeitos de campos eletromagnéticos e
aumento das condições de segurança operacionais, a re-capacitação de uma linha pode ser feita com desligamento
parcial de apenas um dos circuitos, não ocasionando interrupção no fornecimento de energia Domingues (2005).
3.2. Parâmetros Térmicos na Solidificação
A Figura 1 apresenta um elemento de referência extraído do sistema metal/molde que evidencia todos os modos de
transferência de calor que podem ocorrer ao longo de sua solidificação: condução térmica no metal e no molde;
transferência Newtoniana na interface metal/molde; convecção no metal líquido e na interface molde/ambiente e
radiação térmica do molde para o meio ambiente. Alguns desses modos de transferência de calor permanecem do início
ao final da solidificação, enquanto outros são transitórios.
Figura 1. Modos de transferência de calor atuantes no sistema metal/molde GARCIA (2001).
A convecção e a radiação térmica do molde para o meio ambiente só se verifica quando o molde não tiver massa
suficiente para absorver todo o calor transferido pelo metal durante a solidificação. Em condições práticas pode-se
dimensionar o molde de tal forma que ela possa absorver todo o calor transferido ou apenas eleve sua temperatura
externa nos instantes finais do processo, tornando o transporte de calor ao meio ambiente inexpressivo no cômputo
geral. Esses modos de transferência de calor não ocorrem quando se trata de solidificação em moldes refrigerados.
4.
MATERIAIS E MÉTODOS
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
Inicialmente, fez-se a pesagem dos materiais (Al, Cu, Fe, Si e Zr) a serem utilizados para a fabricação das ligas.
Feito isso, foram levadas dentro de um cadinho para um forno de resistência tipo Mufla.
Após a fundição, foi feita a homogeneização do material e a retirada de impurezas com gás Argônio. Para o
vazamento, utilizou-se um molde de geometria regular com dimensões 60 x 60 x 110 mm, demonstrado na Figura 2. As
dimensões da câmera de vazamento foram baseadas em Quaresma (1999), na qual uma das paredes é constituída por um
molde de aço SAE 1010, material condutor utilizado como fonte de absorção da carga térmica liberada pelo metal
líquido, este bloco possui um furo posicionado a 3 mm da interface metal/molde (M/M) e com profundidade de 30 mm
para o posicionamento do termopar no molde.
(a)
(b)
Figura 2. Esquema ilustrativo do sistema metal/molde: (a) planta baixa e (b) corte longitudinal da câmara de
vazamento.
O esquema mostra 8 termopares, acoplados em um registrador de dados Almemo, em posições específicas na
câmara de vazamento, sendo que 6 termopares tipo “K” foram colocados no metal, nas posições, em relação à interface
metal-molde, de 7,5 mm, 15 mm, 22,5 mm, 30 mm, 37,5 mm e 45 mm, e dois termopares do tipo “K”, um posicionado
no molde (bloco metálico) e outro na interface molde-ambiente. A Figura 3 apresenta um conjunto de informações úteis
ao entendimento da experimentação.
(a)
(b)
(c)
Figura 3. (a) Câmara de Vazamento Desmontada; (b) Câmara de vazamento e a disposição dos Termopares; (c)
Vazamento da Liga na Câmara.
Após vazamento, os lingotes são retirados no mesmo plano dos termopares como é mostrado na Figura (4a), as
quais foram posteriormente usinadas para diâmetro de 10 mm, com intuito de atingir a geometria desejada para o ensaio
de tração, obedecendo as dimensões que estão de acordo com a norma ASTM E 8M – 95. A barra de secção quadrada e
o corpo de prova são mostrados na Figura (4c).
(a)
(b)
(c)
Figura 4. A disposição da retirada dos Corpos de Prova: Em (a), Foto mostrando o lingote; Em (b), Dimensões
do corpo de prova segundo a norma ASTM-E8M e em (c) os lingotes já cortados prontos para serem usinados.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
Para a retirada dos corpos de prova, leva-se em consideração a orientação do espaçamento dendrítico secundário
(λ2), pois à medida que o tamanho de grão diminui, há a tendência de aumento da resistência mecânica. Neste caso
particular, pode-se citar a equação de Hall-Petch, na qual a tensão de escoamento é proporcional ao inverso da raiz
quadrada do diâmetro do grão. A literatura aponta também o efeito do espaçamento dendrítico como fator de influência,
indicando que o grau de refino dos espaçamentos dendríticos possa ser até mais influente sobre as propriedades
mecânicas do que o próprio tamanho de grão. Com a inexistência de ferramentas que permitissem quantificar a relação
entre espaçamentos dendríticos secundários e propriedades mecânicas foi desenvolvido por Quaresma (1999) e Garcia
(2001) estudos que possibilitaram estas ferramentas.
5. CARACTERIZAÇÃO
5.1. Mecânica
Nesta etapa da caracterização, os perfis são submetidos a teste de tração segundo as normas para cabos elétricos,
onde geram os dados que permitem caracterizar os perfis segundo o LRT, o alongamento e a tenacidade, foram
realizados em uma máquina de tração Kratos modelo Ikcl1-usb, acoplada a um micro computador com sistema de
aquisição de dados.
5.2. Metalográfica
Um dos perfis obtidos no corte do lingote foi utilizado para analise do EDS. A preparação desse lingote consistiu
em: lixamento; polimento; e ataque químico em submersão com a solução poulton por 8 segundos. O microscópio ótico
Leica DMR foi utilizado na caracterização metalográfica. A caracterização, nesta etapa, teve a preocupação de avaliar
as dentritas para a posterior medição dos espaçamentos secundários. As medições dos espaçamentos foram feitas com o
auxilio do software Motic. Em cada imagem obtida foi calculada três medições e feita uma média para cada teor e
posição.
A análise das macrografias das fraturas após ensaios de tração foi feita no microscópio eletrônico de varredura
LEO, modelo 1450VP, as amostras a serem examinadas no MEV foram limpas com uma solução de álcool+acetona
(PA) em um limpador ultrassônico por 10 min.
5.3. Térmica
o
Temperatura ( C)
Para caracterização térmica das ligas é necessário a determinação das curvas de resfriamento. A título de exemplo
têm-se na Figura (5) as curvas obtidas por Passos (Passos, 2009) durante o desenvolvimento de sua dissertação de
mestrado quando desenvolveu estudos com a liga Al-0,6%Mg-0,8%Si, modificada com dois teores de cobre. Foram
obtidas experimentalmente através do vazamento em molde unidirecional horizontal monitorado por seis termopares,
posicionados estrategicamente dentro da câmara de vazamento, de maneira que se consiga o histórico térmico da
solidificação.
Am b.
M o ld e
T e rm o p a r
T e rm o p a r
T e rm o p a r
T e rm o p a r
T e rm o p a r
T e rm o p a r
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
200
400
T em p o (s)
a
a
a
a
a
a
7 ,5 m m d a in te rfa c e M /M
1 5 m m d a in te rfa c e M /M
2 2 ,5 m m d a in te rfa c e M /M
3 0 m m d a in te rfa c e M /M
3 7 ,5 m m d a in te rfa c e M /M
4 5 m m d a in te rfa c e M /M
600
800
Figura 5. Curva experimental de resfriamento para liga de 0,05% Cu.
A partir das curvas obtidas com o auxílio de um registrador térmico é possível plotar os gráficos temperatura em
função do tempo para cada posição para em seguida, por tratamento dos dados, construir equações experimentais que
possibilitem a obtenção das curvas para a velocidade de solidificação e taxa de resfriamento.
A metodologia utilizada tanto para a determinação do tempo de passagem da isoterma liquidus em cada termopar,
para a obtenção da velocidade de solidificação como para a obtenção da taxa de resfriamento, expressa pela Eq. (1),
encontra-se descrita em Passos (2009).
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
•
Τ=
∆T  (T2 − T1 ) 
=

∆t  ( t 2 − t1 ) 
Onde:
T1 - temperatura 1 ;
T2 - temperatura 1 ;
(1)
t1 - tempo 1
t2 - tempo 2
6. RESULTADOS
6.1. Curvas de Resfriamento das Ligas
As Figuras (6 e 7) apresentam as curvas de resfriamento para as ligas Al-EC 0,05%Zr e Al-EC 0,11%Zr
respectivamente. Estas curvas foram obtidas experimentalmente através do vazamento em molde unidirecional
horizontal, como ilustrado pelas Figuras (3 e 4), através de seis termopares posicionados dentro da câmara de
vazamento e conectados ao registrador térmico de maneira a permitir a obtenção da história térmica da solidificação.
1000
1000
900
800
700
600
M/M
15
22,5
30
37,5
45
M/A
500
400
300
200
100
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
900
800
700
600
400
300
200
100
0
0
150
300
450
600
750
T L =658,4°C
500
Termopar na posiçao 45mm
0
900 1050 1200 1350
0
Tempo (s)
150
300
450
600
750
Tempo (s)
(a)
900
1050
1200
(b)
Figura 6. (a) Curvas de Resfriamento da liga Al-EC 0,05%Zr. (b) Curvas de Resfriamento da liga Al-EC
0,05%Zr na posição 45mm em relação a interface M/M.
900
800
800
700
600
500
M/M
7,5mm
15 mm
22,5 mm
30mm
37,5 mm
42,5mm
M/A
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
1000
900
Temperatura (°C)
1000
700
Tempo (s)
(a)
700
600
TL=657,8°C
500
400
300
200
100
Termopar na posiçao 42,5mm
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Tempo (s)
(b)
Figura 7. (a) Curvas de Resfriamento da liga Al-EC 0,11%Zr. (b) Curvas de Resfriamento da liga Al-EC
0,11%Zr na posição 45mm em relação a interface M/M.
6.2. Determinação da Velocidade de Resfriamento (VL)
Considerando que este trabalho trata das modificações de composição em torno de uma liga Al-EC-0,7%Si, tomouse como temperatura liquidus as mudanças de inclinação observadas nos perfis térmicos da cada liga monitorada,
conforme exemplificado nas Figuras (5 e 6b). Dos perfis térmicos de cada posição, por exemplo, 45 mm da interface
Metal/Molde [M/M], objetivando a localização das temperaturas liquidus [TL], traçou-se uma reta horizontal paralela ao
eixo das abscissas [Tempo], partindo da mudança de inclinação até o eixo das ordenadas [Temperaturas]; em seguida,
objetivando a determinação do tempo liquidus [TL], partindo do perfil térmico e da invariância térmica traçou-se uma
reta perpendicular ao eixo das abscissas que, ao cortá-lo, define o instante em que a isoterma liquidus atinge cada
termopar.
Desta forma, é possível determinar-se perfis que correlacionam o tempo de passagem da ponta da dendrita em
relação às posições específicas em que se encontram posicionados os termopares. As velocidades experimentais da
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
VL =
dP
dt .
isoterma líquidus (VL), para todas as ligas, são determinadas através das derivadas das funções P = f (t) , isto é
As funções P = f (t) são obtidas experimentalmente a partir de conjuntos de pontos [P, t], tendo como referência TL, para
cada liga e para cada posição descrita anteriormente. TL será sempre a Temperatura Liquidus; t, o tempo de passagem
da isoterma liquidus na posição P desejada. Os pares ordenados (P, t) obtidos a partir do procedimento relatado acima se
encontram relacionados nas Tabelas (1 e 2) e permitem que sejam traçadas as curvas experimentais da posição da
isoterma liquidus com o tempo.
Tabela 1. Tabela posição x tempo para liga 0,05% Zr.
Posição (mm)
7,5
15
22,5
30
37,5
45
Tempo(s)0,05 % Zr
4
13
26
38
54
90
Tabela 2. Tabela posição x tempo para liga 0,11% Zr
Posição (mm)
7,5
15
22,5
30
37,5
45
Tempo(s) 0,11 % Zr
1,6
9,6
22,4
28
34,4
38,4
Vel. Solidificaç‫م‬o [ VL (m/s)]
Derivando-se as equações da passagem das isotermas liquidus, posição em função do tempo, obtém-se a velocidade
de deslocamento da isoterma liquidus em relação ao tempo e após breve manipulação numérica pode ser obtida a
equação para o perfil de velocidade em função da posição, como estas plotadas na Figura (8b). Estas curvas sugerem
que a liga com 0,11%Zr, apresenta contato metal/molde, inicial, mais intenso e, desta forma, aquece o molde de tal sorte
a fazê-lo diminuir sua função resfriadora.
Posiç‫م‬o [P (mm)]
40
35
30
25
20
15
10
Posiçao0,05% Zr=2,5xTempo
5
[A]
0,7
0,51
Posicao0,11% Zr=4,43 x tempo
0
10
20
30
40
50
60
70
Tempo [t (s)]
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,41
VL (0,05% Zr)= 2,47 [P]
;
-0,96
VL (0,11% Zr)= 9,47 [P]
0
5
[B]
.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Pos. Termopar [ P (mm)]
Figura 8. (A) Evolução comparativa da passagem das isotermas liquidus para a liga Al-EC [0,05 e 0,11%]
%Zr (B) Perfis de deslocamento da Isoterma Liquidus em função da posição do termopar [VL].
•
6.3. Determinação da Taxa de Resfriamento [ T ]
As curvas das Figuras (6 e 7) auxiliam na obtenção dos pontos [T; t] temperatura/tempo, para a formatação da
diferença finita, para cada liga e posição do termopar. Os valores das razões das diferenças indicadas pela Eq. (2),
encontram-se relacionados nas Tabelas (3 e 4).
.
T =
(2)
∆T T 2 −T1
=
∆t
t 2 −t 1
Tabela 3. Tempos e temperaturas para determinação da taxa de resfriamento em função da posição para liga
0,05%Zr.
Posição
T1(°C)
T2(°C)
t1 (s)
t2 (s)
7,5
-
15
669,1
652,2
12
14
22,5
661,7
658
25
26,1
30
659,1
655,2
37
39
37,5
659,7
658
115
117
45
658,5
658,4
89
91
Tabela 4. Tempos e temperaturas para determinação da taxa de resfriamento em função da posição para a liga
0,11% Zr.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
Posição
7,5
15
22,5
30
37,5
42,5
T1(°C)
662,5
660,4
658,3
658,8
658,4
658,2
T2(°C)
658,1
657,6
657,7
657,7
657,7
657,7
t1 (s)
4,8
14,4
27,2
25,6
64
28,8
t2 (s)
6,4
16
28,8
27,2
65,6
30,4
A avaliação da macroestrutura pode ser feita pela análise do perfil apresentado pelas curvas das equações
experimentais da taxa de resfriamento para cada liga.
A Figura (9), está formada pelo conjunto das duas fotos macro estruturais e um gráfico com as duas curvas das
taxas de resfriamento para as ligas com [0,05 e 0,11]%Zr. A cor vermelha é associada ao teor 0,05%Zr e a verde ao
0,11%Zr.
A macroestrutura para o teor 0,05%Zr, com arranjo colunar e equiaxial, apresenta região com característica de
transição entre elas. Provável conseqüência da menor afinidade metal/molde – molhabilidade do molde. A intensidade
desta afinidade pode proporcionar a formação de camada sólida inicial de espessura delgada que oferece pequena
reação à pressão metalostática além de sofrer pequena contração volumétrica. E, desta forma, propiciar a formação de
“Gap´s” de ar menores na interface metal/molde.
Por outro lado a macro estrutura, para a liga com o teor 0,11%Zr, apresenta arranjo que não apresenta a
característica de transição, pois a afinidade entre o metal e o molde é diferente da anteriormente descrita.
3,0
Perfi da Taxa de Resfriamento
20
15
10
5
0
Ε
-5
τ 0,05% Zr= 84,45 [ (P)
0
-0,73
]
Perfi da Taxa de Resfriamento
2,5
0
25
TAXA RESF. [ τ ( C/s) ]
0
TAXA RESF. [ τ ( C/s) ]
30
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Ε
-0,5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
τ 0,11% Zr= 12,5 [ (P)
0
-1,03
]
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Pos. Termopar [ P (mm) ]
Pos. Termopar [ P (mm) ]
Figura 9. Correlação entre o gráfico da taxa de resfriamento versus posição e a visualização das
macroestruturas das ligas.
A Figura (10), a seguir, apresenta comparação entre as curvas experimentais e analíticas para a taxa de
resfriamento, obtidas pelas Equações [1] e [2] paras as ligas Al-EC-0,05%Zr [A] e Al-EC-0,11%Zr.
*
T=
d s . L 2 = 4,42 [V ]2
L
VL
ks
Taxa de Resfriamento
(3)
Na qual L, Calor Latente de Fusão = 385.000 J/Kg; dS, Densidade = 2.550 Kg/m3; kS, Condutividade Térmica =
222 W/m.K Quaresma (1999). Estes valores permitem obter a constante 4,42.
Comparaç‫م‬o de Perfis da Taxa de Resfriamento
25
0
0
20
15
10
5
0
Ε
τ 0,05% Zr= 84,45 [ (P)
-5
-10
[A]
TAXA RESF. [ τ ( C/s) ]
TAXA RESF. [ τ ( C/s) ]
30
A
τ
0
-0,73
];
= 4,42 [2,47 [ (P)
0,05% Zr
-0,41
2
] ].
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Pos. Termopar [ P (mm) ]
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
[B]
Comparaç‫م‬o de Perfis da Taxa de Resfriamento
Ε
τ 0,11% Zr= 12,5 [ (P)
A
τ
0
-1,03
];
= 4,42 [ 9,47 (P)
0,11% Zr
-0.96
2
] .
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Pos. Termopar [ P (mm) ]
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
Figura 10. Compara as curvas experimentais e analíticas para a taxa de resfriamento, obtidas pelas Equações (1)
e (2).
6.4. Espaçamento Dentritico Secundário
A configuração estrutural apresentada pelas ligas com os teores de zircônio pode ser vista nas figuras abaixo. As
medidas do EDS também estão apresentadas na Figura (11). As medições foram realizadas com o auxílio do programa
Motic.
200µ m
200µ m
200µ m
160
150
140
EDS [ λ 2 (µ m) ]
130
120
110
100
90
80
λ 2 [0,05% Zr]= 25,47[P]
60
λ 2 [0,11% Zr]= 43,44[P]
50
200µ m
0,47
70
;
0,31
5
10
15
20
25
30
35
40
Pos Termopar [ P (mm) ]
200µ m
45
50
200µ m
Figura 11. Estrutura dendritica das ligas com a composição de 0,05 e 0,11% Zr em diferentes posições, com as
respectivas imagens com aumento de 100x.
Observa-se que com o aumento da distancia da interface metal/molde o tamanho médio do EDS tende a aumentar,
isto é observado nos dois teores. E que o menor teor teve menores EDS.
6.5. Caracterização Mecânica
A Figura (12) apresenta arranjo que correlaciona a macrografia da topografia da fratura com as curvas que
descrevem a evolução do Limite de Resistência a Tração [LRT] para as amostras coletadas em diferentes posições em
relação a interface metal/molde [M/M].
Pode ser observado que as macrografias, para os teores [0,05 e 0,11]%Zr, apresentam níveis de porosidade
crescentes à medida em que registram fraturas de amostras coletadas mais afastadas desta interface.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
Pos
Pos
Pos
90
LRT [ σ (MPa) ]
85
80
75
70
65
60
55
50
5
σ 0,05% Ζρ = 134,71[P]
-0,22
;
σ 0,11% Ζρ = 124,65[P]
-0,17
.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Pos do Termopar [ P (mm) ]
Pos
Pos
Pos
Figura 12. Ensaio de Tração do material usinado (Ф= 10,0 mm) em função da posição com a topografia de cada
fratura com aumento de 48x.
Por outro lado, as curvas que descrevem a evolução para o LRT, apresentam forte tendência de decréscimo nos
valores quanto mais afastados da interface M/M são coletados. Este comportamento pode estar relacionado com a
topografia da fratura. Autores há que sugerem, em seus estudos, que a presença e o tamanho desses defeitos influenciam
negativamente nas propriedades mecânicas do material.
7. CONCLUSÕES
Através de vários trabalhos já realizados pelo grupo GPEMAT e de outras leituras, em geral, com o aumento do
tamanho de grão, a resistência mecânica do material tende a diminuir. Para materiais apenas como estrutura bruta de
fusão, ou seja, sem deformação mecânica, esta relação de tamanho de grão e LRT nem sempre é verdadeira. É preciso
também analisar o arranjo dendritico.
Com os resultados das medições de EDS e dos valores obtidos de LRT do material observa-se que os menores
espaçamentos apresentam maiores valores de LRT. Então, pode-se concluir que o 0,11% foi o que apresentou melhor
resposta mecânica já que o seu EDS foi menor em relação ao 0,05%, e que os dois teores apresentaram a tendência de
diminuição na resistência mecânica devido ao aparecimento das porosidades.
Entende-se com estes resultados uma relação inversa com a resistência mecânica no que diz respeito ao EDS e a
presença de porosidades.
8. REFERÊNCIAS
ASTM - Standard Test Methods for TENSION TESTING of METALLIC METARIALS [METRIC] (Designation: E8m
– 00B - METRIC).
DOMINGUES, I.T., LOPES J.C.R., MENDES L.M.R., CABRAL S., ROQUELANE R., UEDA S., ANAUATE S.;
“Emprego de novas tecnologias de materiais em linhas de transmissão aérea com a substituição de condutores acsr
por condutores termorresistentes tacsr e tacir (invariável)”; XVIII SNPTEE, Curitiba, PR, 16 a 21 de outubro de
2005.
FEITOSA, J. P.; “Caracterização da Liga 6101 Refinada com a Adição de Diferentes Teores de Cobre e Solidificadas
em Molde Unidirecional Horizontal e em Molde U”, Dissertação de Mestrado, UFPA, FEM, 2007.
GARCIA, A.; “Solidificação: Fundamentos e Aplicações”, Editora da UNICAMP, Campinas, Brasil, 2001.
MÜLLER, A.; “Solidificação e Análise Térmica dos Metais”; 1. ed. Porto Alegre: Editora UFRGS, 2001, v. 500. 250 p.
NBR 5118/2007; “Fios de alumínio 1350 nus, de seção circular, para fins elétricos”, São Paulo, 2007.
OSÓRIO, W. R.; PEIXOTO, L. C.; GARCIA. A. Effects of mechanical agitation and of the addition of grain refiner on
the microstructure and mechanical properties of castings of the Al-Sn alloy Matéria (Rio J.) vol.14 no.3 Rio de
Janeiro 2009.
PRAZERES, U. R.; “Avaliação do Efeito do Ferro em Ligas de Alumínio Destinadas a Condução e Distribuição de
Energia Elétrica”, Trabalho de Conclusão de Curso, (Graduação em Engenharia Mecânica); Universidade Federal
do Pará. Orientador: José Maria do Vale Quaresma; UFPA, FEM, 2008.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 11 a 15 de Abril de 2011. Caxias do Sul - RS
QUARESMA, J. M. V.; “Correlação entre Condições de Solidificação Microestrutura e Resistência Mecânica”, Tese de
Doutoramento, UNICAMP, FEM; 1999.
VERRAN, O.G.: “Método alternativo para medição do índice de fluidez de ligas de Al em coquilhas”, Fundição e
Serviços, n° 134, fevereiro, 2004, pp.70-79.
9. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
THERMAL, MECHANICAL AND STRUCTURAL ANALYSIS FOR AN ALEC ALLOY WITH ZIRCONIUM CONTENTS FOR DISTRIBUTION AND
TRANSMISSION OF ELECTRICITY
Kazuo de Almeida Kamizono, [email protected]
Patrick dos Santos Nogueira, [email protected]
Luanna Nayara dos Santos Costa, [email protected]
Fernanda Ohashi Jardim, [email protected]
Thalita Maria Pontes Moutinho, [email protected]
José Maria do Vale Quaresma, [email protected]
1
Federal University of Pará, Universidade Federal do Pará - Rua Augusto Corrêa, 01 - Guamá. CEP 66075-110. Caixa postal 479,
Belém – Pará – Brasil
Abstract: The analysis of heat transfer in solidification has two main purposes: the determination of temperature
distribution in metal-mold interface and the determination of the kinetic of solidification, which are for the
determination of thermal and operational parameters, because those purposes are determinative to the shaping of the
final structure of products and they influence their mechanical behavior. This paper considers that information to: i]
evaluate the effect of two contents or Zr on the affinity metal-mold of Al-EC, because it is an aluminum alloy that has
good electric conductivity, ii] the consequence of this affinity on the solidification speed and the rate of cooling, iii]
characterize the action of thermophysical parameters on the solidification macrostructure. First, Al-EC alloys [0,05
and 0,11] %Zr were prepared to determine the liquidus temperature of each one of them. The unidirectional horizontal
casting was realized with argon gas to decrease the presence of hydrogen and porosity. The cross section allowed the
removal of the specimens that were necessary to the thermal and structural characterization of alloys. They were
obtained curves with the helping of thermocouples that were strategically placed in the solidification chamber, they
were connected to a thermal register and then it was possible to plot the diagrams of temperature versus time in each
position, after that they build experimental equations that allowed the acquisition of curves to solidification rate and
cooling rate. The analysis of the fracture micrographies after the tensile test was realized in an electronic microscopy
scanning SEM. The macrographies were analyzed in an optic microscopy LEICA. As a result, it was observed that if
the distance in metal-mold interface increases, the average size of EDS tends to increase; this can be noticed in both
alloys. The less zirconium content alloy had bigger EDS. Usually, an increase in the grain size of the material makes
the mechanical strength decrease. It is possible to observe that the smaller distances present bigger LRT values, from
the results of EDS measurements and values obtained from the LRT material.
Keywords: aluminium eletroconductor, unidirectional horizontal mold, mechanical strength.