Influência da convecção termossolutal na transição colunar/equiaxial em ligas Al-Si sob condições unidirecionais e transitórias de extração de calor

A relação entre macroestrutura e propriedades mecânicas de um material tem sido objeto de intensa investigação pois o tamanho dos grãos, a orientação cristalina e a distribuição dos mesmos exercem influência direta no comportamento mecânico dos produtos acabados. Assim, o entendimento dos fatores que influenciam a formação das zonas estruturais coquilhada, colunar e equiaxial nos materiais fundidos como, por exemplo, o sistema de liga, composição da liga, temperatura de vazamento, temperatura do molde, material do molde, coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde, taxa de resfriamento, gradientes térmicos, dimensão da peça, presença de convecção no líquido, transporte de soluto, etc é de fundamental importância para a melhoria da eficiência do processo de fundição envolvido. Com base no conhecimento dos princípios termofísicos em que essas zonas são formadas, é possível manipular de forma bastante razoável a estrutura dos produtos fundidos e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas dos mesmos. Tendo como principal foco a análise da mudança da zona colunar para a equiaxial, este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental sobre a transição colunar/equiaxial (TCE) das ligas hipoeutéticas Al- 3%Si, Al-7%Si Al-9%Si solidificadas unidirecionalmente em um dispositivo horizontal refrigerado a água sob condições transientes de fluxo de calor. A condição de contato térmico na superfície de extração de calor foi padronizada como sendo polida. Os perfis térmicos foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados foram armazenados automaticamente. Um método numérico é utilizado na determinação de variáveis térmicas de solidificação como coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde (h_i), velocidades das isotermas liquidus (V_L), gradientes térmicos (G_L) e taxas de resfriamento (T_R) que influenciam diretamente a referida transição estrutural. Os resultados teóricos e experimentais apresentaram boa concordância. Um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e valores propostos na literatura para analisar a TCE durante a solidificação unidirecional vertical ascendente sob condições transientes de extração de calor das ligas investigadas, também é apresentado.

ABSTRACT: The macrostructure of cast ingots consists of three different zones, that is, the chill, columnar, and equiaxed zones respectively. The origin of each one has been the subject of numerous experimental and theoretical researches in the field of metallurgy because of the well-known correlation between grain structures and mechanical properties. The structure is almost determined in the solidification process, so it is essential to control the solidification process. Despite this effort there is as yet no way that the macrostructure of an ingot can be predicted nor even any clear agreement on how the columnar to equiaxed transition (CET) actually occurs. The CET during solidification has been studied for many years and experimental observations show that the position of the CET and the size of the equiaxed grains is dependent on thermal conditions associated with the casting process including alloy system, alloy composition, melt superheat, mold temperature, mold material, heat-transfer coefficients at the metal-mold interface, cooling rate, casting size, melt convection, transport of solute, and the concentration of nucleating particles. The objective of this contribution is the presentation of experimental results on the CET in three hypoeutectic Al-Si alloys during the horizontal unsteady-state directional solidification in a cooled mold. The thermal contact condition at the metal/mold interface was also standardized with the heat extracting surface being polished. Thermocouples have been connected with the metal, and the time– temperature data have been recorded automatically. A combined theoretical and experimental approach is applied to quantitatively determine the solidification thermal parameters such as transient heat-transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients, and cooling rates which affect the structure transition. The experimental and calculated values have shown a very good agreement. A comparative study between the results of this article and those from the literature proposed to investigate the CET during upward vertical solidification of Al-Si hypoeutectic alloys is also presented.