CALOR TOTAL EXTRAÍDO DE LIGAS Al-Sn APÓS

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil
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.
Almirante Barroso 1155, CEP: 66093-020, Belém, Pará, Brasil
Tv. Vileta, n°537- Bairro : Pedreira – Pará - Brasil – CEP: 66087421,
email: [email protected]
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 ensinoaprendizado 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
propriedades termofísicas
total;
sistema
de
solidificação;
liga
Al-Sn;
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 (T F):
(b)
(a)
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:
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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.
(b)
(a)
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)
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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 T L 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 T L 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 IFPACampus 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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