Estudo experimental e numérico das variáveis de processo na solidificação ascendente das ligas Cu-Sn em condições transientes de extração de calor

Abstract

Nesta tese é estudado a solidificação vertical ascendente das ligas Cu-15%Sn e Cu-20% Sn, sob regime transiente de extração de calor. Neste tipo de sistema, a configuração ascendente, confere ao metal a solidificação no sentindo contrário a ação da gravidade, o que favorece o contato com a base do molde, implicando em valores aproximadamente constante do coeficiente de transferência de calor metal/molde. Buscou-se estudar as ligas do sistema cobre estanho, conhecidas como bronze, devido possuírem características como boa resistência a corrosão, elevada resistência mecânica, tenacidade e está presente em diversos segmentos industriais: automobilísticas, indústria química e eletrônica. Inicialmente o trabalho é experimental, onde é investigado os parâmetros térmicos, pois é de conhecimento que na fundição, parte das propriedades físicas e mecânicas são adquiridas e ou preservadas a partir das condições impostas no processo de solidificação. Neste contexto, a morfologia das microestruturas geradas no processo e os efeitos das condições de solidificação são apresentados e discutidos. A dureza Vickers foi a propriedade física investigada e correlacionada com a posição em que os termopares foram inseridos no metal. O perfil de concentração do soluto foi medido experimentalmente com auxílio do EDS acoplado ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) e comparado com a equação analítica de Scheil, a qual permite quantificar o perfil de concentração de soluto no sólido formado, em casos de mistura completa no líquido e ausência de difusão no sólido. Além do comparativo entre os dados experimentais, neste trabalho visou modelar computacionalmente com o uso do modelo de Campo de Fase, para investigar a previsibilidade dos parâmetros: velocidade de avanço da interface, concentração do soluto e morfologia dendrítica. Os perfis de concentração foram discutidos, e no comparativo entre modelagem, modelo analítico e experimental, os resultados utilizando o coeficiente de redistribuição de soluto efetivo (kef) apresentaram mais aderência aos resultados experimentais. Entretanto, na modelagem analítica foi preciso propor uma nova equação baseada em ajustes para descrever o comportamento dos dados experimentais.