Fadiga térmica em lingoteiras para vazamento de alumínio

Abstract

Este trabalho foi dedicado ao estudo do efeito da fadiga térmica nas lingoteiras em aço produzidas pela empresa Duritcast, para vazamento de alumínio. Para tal, foram realizados ensaios de imersão cíclica de amostras de fragmentos de lingoteiras em alumínio líquido num forno adaptado com o propósito de simular a fadiga térmica. As amostras antes e após os ciclos térmicos foram caracterizadas por ensaios de tração uniaxial, de dureza e observações microestruturais por microscopia ótica e eletrónica. Paralelamente foram efetuados cálculos pelo método dos elementos finitos com o objetivo de determinar a intensidade e distribuição das tensões térmicas desenvolvidas nas lingoteiras e nas amostras durante os ciclos térmicos. Foi possível simular os gradientes térmicos e tensões térmicas desenvolvidas nas lingoteiras e nas amostras utilizadas nos ensaios de fadiga térmica, utilizando o método dos elementos finitos. Os resultados obtidos permitiram prever o desenvolvimento de tensões térmicas superiores ao valor limite de elasticidade do aço WC6, e consequente deformação plástica do material. Os ciclos térmicos provocaram um aumento de tensão limite de elasticidade, tensão de rotura e dureza e uma diminuição de deformação uniforme do aço WC6. A análise microestrutural realizada permitiu concluir que o principal mecanismo responsável por estas alterações foi o encruamento resultante da deformação plástica do material devido às tensões térmicas geradas durante os ciclos térmicos. Com base nestes resultados foram sugeridas medidas susceptíveis de aumentar o tempo de vida em serviço das lingoteiras.

This work was devoted to study the effect of thermal fatigue in steel molds produced by the company Duritcast for aluminum casting. For this purpose, cyclic immersing tests in liquid aluminum were accomplished in an adapted furnace aiming the simulation of the thermal fatigue on samples cut from mold fragments. The samples were characterized by uniaxial tensile tests, hardness tests and microstructural observations by optical and electron microscopy before and after thermal cycles. At the same time, simulations by finite element method were performed with the aim of calculating intensity and distribution of thermal stresses developed in the ingot molds during the thermal cycles. It was possible to simulate the thermal gradients and thermal stresses developed in the mold and in the samples used in thermal fatigue tests by finite element method simulation. The results allowed to predict the development of thermal stresses higher than the yield stress of the steel WC6 and, consequent, by plastic deformation of the pieces. The thermal cycles promoted an increase of yield strength, tensile strength and hardness and a decrease of uniform deformation of the WC6 steel samples. The microstructural analysis allowed to conclude that the main mechanism for these changes was the strain hardening resulting from plastic deformation due to the thermal stresses developed during the thermal cycle. Based on these results some measures to increase the service lifetime of the ingot molds were suggested.