Defeitos de solidificação

Imagens: Divulgação

Toda a heterogeneidade surgida na estrutura interna durante o esfriamento de um material fundido é chamada de defeito da solidificação. Essas heterogeneidades podem ser de natureza física (poros) ou química (segregações).

Porosidade

A presença de poros pode ser causada pela contração de solidificação ou presença de gases dissolvidos.

Contrações

Durante a transformação do estado líquido para sólido ocorre um agrupamento (empacotamento) dos átomos, formando estruturas ordenadas. Na absoluta maioria dos casos esta transformação é acompanhada por um aumento da densidade (conforme ilustra a figura abaixo) e, consequentemente, por uma contração, tal como na tabela a seguir (valores positivos indicam expansão).

Como resultado da contração de solidificação surgem porosidades no material, que podem ser macroporosidades ou microporosidades. O fator de dependência mais determinante no tipo de porosidade é o intervalo de solidificação.

Ligas metálicas com pequeno intervalo de solidificação (caso também de metais comercialmente puros) possuem dendritas pequenas na interface Líquido-Sólido (L-S) e tendem a gerar macroporosidades.  A exceção é o alumínio, que apesar de apresentar dendritas pequenas possui grande contração de solidificação. Ligas metálicas com grande intervalo de solidificação (caso de alguns latões) apresentam dendritas grandes na interface L-S e tendem a gerar microporosidades.

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A macroporosidade é um defeito que se caracteriza por contrações concentradas em um único ponto da peça (na última região a se solidificar), resultando em um espaço vazio e com superfície interna rugosa (formada pelas dendritas). É causada pelo efeito de contração do material na solidificação.

A forma e a localização da macroporosidade depende do tipo de extração de calor sofrido pelo molde.

Podem ser caracterizados alguns casos típicos:

• Em peças solidificadas unidirecionalmente (como com a frente de solidificação avançando de baixo para cima), há redução das dimensões da peça em apenas uma direção. Neste caso não se forma propriamente uma porosidade (ou cavidade), mas um rebaixo na superfície da peça (denominado de “rechupe”).
• No caso da extração de calor ocorrer igualmente nas três direções, forma-se uma cavidade no centro da peça.
• Quando uma superfície extrai calor mais lentamente que as demais, forma-se um rechupe na região que se solidificou por último.

Uma técnica comum de se controlar a cavidade resultante das contrações de solidificação é a utilização de alimentadores (reservatórios de metal posicionados próximos da última região a se solidificar, denominados de massalotes). Os reservatórios tem a função de fornecer líquido para a frente de solidificação de modo que o rechupe se desloque para o massalote, resultando em uma peça sem macroporosidade. Após a solidificação, o massalote é cortado da peça e descartado. O material descartado pode ser reciclado em fusões posteriores.
 

Já a microporosidade é um defeito que se caracteriza por suas pequenas dimensões e pela distribuição ao longo da peça. Forma-se quando as dendritas presentes na frente de solidificação (interface L-S) são de grande tamanho.

Este defeito se forma por causa da dificuldade do metal líquido em penetrar entre as dendritas na interface L-S, ocorrendo a perda de carga. Com isto não são compensadas as contrações locais, aparecendo porosidades entre os braços das dendritas. Para evitar é necessário aumentar a extração de calor na peça através do uso de resfriadores na parede do molde, ou usar moldes metálicos.

Observe na figura abaixo os casos de ocorrências de porosidade.
 

A figura abaixo mostra a formação típica das dendritas em materiais com pequeno intervalo de solidificação. Observe que não há formação de porosidades.

Para materiais com grande intervalo de solidificação a formação típica das dendritas leva ao aparecimento de microporosidades, como mostrado abaixo.

Gases Dissolvidos

São bolhas de gás aprisionadas dentro da peça, causadas pela dissolução de gases por metais em estado líquido. Ao se solidificarem, os metais líquidos reduzem as condições de solubilidade do gás , formando bolhas que podem ficar aprisionadas. Veja o exemplo do caso do alumínio na figura abaixo. A porosidade, neste caso, tem uma parede lisa. O  alumínio e aços efervecentes são os casos típicos de ocorrência.

Para reduzir a ocorrência deste tipo de porosidade existem técnicas como manter baixa a temperatura do metal líquido, minimizando assim a dissolução dos gases no metal; adicionar materiais que possam combinar-se com o gás e formar massa sólida; fundir sob condições de vácuo; borbulhar gás inerte (argônio, nitrogênio) no metal líquido arrastando os gases dissolvidos para fora da massa de metal.

Heterogeneidade Química (Segregação)

É outro tipo de defeito que pode ocorrer em peças fundidas, quando a distribuiçãode elementos de liga e impurezas dentro da estrutura do material é  heterogênea. É provocada pela solidificação fora das condições previstas pelo diagrama de equilíbrio.

Origem da Segregação

A solidificação de ligas metálicas ocorre em geral conforme a faixa de temperaturas mostrada na figura (exceto no caso de ligas eutéticas).

O metal ao ser resfriado atinge a temperatura liquidus. Nesta temperatura surgem os primeiros núcleos sólidos. Na continuidade surgem mais núcleos e crescem os núcleos existentes. Em condições de equilíbrio (resfriamento lento), cada partícula sólida na mistura L+S possui a composição correspondente à linha solidus. Por sua vez o líquido tem a composição ditada pela linha liquidus.

Para melhor entendimento, pode ser observado o exemplo da evolução da composição química do sólido e do líquido, no processo de solidificação de uma liga de cobre com 40% Ni. Observe que o primeiro sólido formado possui 52% de Ni. Durante a solidificação, a composição se altera de 52 a 40% de Ni, que é a composição média original da liga. Como resultado, a composição química nestas condições é homogênea ao longo do grão.

Na maioria dos casos reais a velocidade de solidificação não é baixa o suficiente para garantir as condições de equilíbrio, portanto o resultado não é ideal.

No caso real de resfriamento em situação de não equilíbrio, ou seja, esfriamento onde não há tempo para homogeneização química, as partículas formadas terão, ao crescerem, diferentes composições na periferia e no núcleo.

A temperatura na qual termina a solidificação é inferior àquela obtida sob condições de equilíbrio. (Este fato possibilitará a ocorrência do fenômeno de liquação).

A composição do sólido, ao invés de seguir a linha solidus (como no exemplo anterior) segue a linha tracejada devido à falta de tempo para homogeneização da composição ao longo do grão.

No resultado final, os grãos formados possuem um gradiente de composição química, isto é, a composição varia do centro para a periferia do núcleo. Ocorre formação de zonas de distintas composições químicas dentro do grão, C1,C2,C3,C4,C5.

Não se trata de grãos concêntricos, pois não há contornos de grão entre uma zona e outra. As zonas situam-se dentro do grão e frequentemente não são perceptíveis em exame microscópico.

Este tipo de heterogeneidade química (segregação) que se desenvolve dentro do grão é denominada de zonamento. A presença de segregação traz como consequência o fato de que o último líquido a se solidificar (e que se situa no contorno de grão), tem temperatura de fusão mais baixa que o resto do material (mais baixa inclusive do que aquela prevista pelo diagrama de equilíbrio).

No caso de um reaquecimento da peça (no tratamento térmico posterior, por exemplo), pode ocorrer fusão da região do contorno de grão, enquanto o centro do grão permanece sólido. Esta fusão localizada do contorno recebe o nome de liquação e resulta em intensas distorções dimensionais na peça (grandes empenhamentos) chegando a inutilizá-las.

A presença de impurezas tende a agravar o fenômeno, na medida em que as mesmas tendem a ser rejeitadas durante a solidificação dos núcleos sólidos para o líquido remanescente, resultando em concentrações elevadas nos contornos de grão.

Além do zonamento (que é uma microssegregação), existem outros tipos de heterogeneidades químicas, tais como a macrossegregação e a segregação gravimétrica.

A macrossegregação (normal e inversa) tem a mesma origem da microsegregação, ou seja, é causada pela rejeição de soluto do sólido para o líquido durante a solidificação. A diferença é que a macrossegregação ocorre ao longo da peça (e não apenas dentro do grão).

Uma vez que a solidificação ocorre da parede do molde para o centro da peça, é comum que ocorra aumento da concentração de solutos da periferia para o centro. Este tipo de macrossegregação é denominada de segregação normal.

Como a macro e a microsegregação tem a mesma origem, as peças fundidas costumam ter simultaneamente heterogeneidade dos dois tipos.

Em alguns casos, particularmente nas ligas com grande intervalo de solidificação, o líquido presente entre as dendritas é bombeado para trás da frente de solidificação. Portanto a concentração de soluto diminui da periferia para o centro da peça e este tipo de segregação é denominado segregação inversa. Aqui há casos onde o líquido (rico em impurezas) chega a sair pelas paredes da peça (a peça transpira), sendo tal fenômeno denominado exsudação.
 

A segregação gravimétrica tende a ocorrer quando a composição química da liga é tal que, durante a solidificação formam-se fases sólidas com densidades muito diferentes. Durante a solidificação em ferros fundidos nodulares, forma-se primeiro a grafita (baixa densidade) no metal líquido (maior densidade). Portanto a grafita tende a boiar (fenômeno denominado de flotação). As grafitas flotantes podem movimentar-se e alinharem-se na peça, criando uma região de concentração.