Análise Comparativa do Ângulo de Molhabilidade em uma Liga Livre de Chumbo Sn-2%Sb / Comparative Analysis of the Wetting Angle in a Lead-free Sn-2.0wt%Sb Alloy

Na indústria eletrônica, ligas de solda à base de chumbo (Pb) ainda são bastante usadas na soldagem de componentes de circuito eletrônico, como as do sistema Pb-Sn (Chumbo-Estanho) contendo 85 a 97 % de Pb em peso, sendo muito utilizadas em soldagem de alta temperatura na fabricação de empacotamentos de semicondutores de potência. Essas soldas clássicas estanho-chumbo são inadequadas dos pontos de vista ambiental e de saúde pública em decorrência da toxicidade do chumbo. Há muitas preocupações com o uso do metal tóxico chumbo devido aos seus efeitos adversos na saúde humana e contaminação do meio ambiente. O interesse em aprofundar os conhecimentos da liga Sn-Sb, está relacionado às aplicações para soldagem em altas temperaturas (~230 a 400°C) que ainda são consideradas soldagem de brasagem, com ponto de fusão abaixo de 450°, voltadas para a tecnologia de soldagem escalonada, em que as primeiras camadas depositadas são ligas que fundem a uma maior temperatura e as últimas, em menores temperaturas. O trabalho a seguir apresenta resultados comparativos do ângulo de molhabilidade da liga Sn-2%Sb em relação a liga eutética de chumbo-antimônio, Sn-37%Pb, utilizando-se um método de ensaio customizado, criado dentro do laboratório NPM-GPSOL da Universidade Federal do Pará. Os resultados foram satisfatórios, sendo bem próximos entre as ligas ensaiadas, demonstrando um potencial de utilização do sistema como ligas de soldagem livres de chumbo

Transient solidification of alloys of the monotectic AI-Bi, AI-Pb and AI-In systems

Orientador: Amauri GarciaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Ligas de alumínio dispersas com bismuto, chumbo e índio apresentam aplicações promissoras em componentes automotivos resistentes ao desgaste. Essas dispersões de elementos de baixa temperatura de fusão diminuem a dureza e escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Muitos estudos têm sido realizados a fim de melhor compreender as distintas morfologias obtidas pela reação monotética Algumas pesquisas assumem que a evolução do espaçamento interfásico (?) nas Iigas monotéticas ou obedece à clássica relação utilizada para eutéticos: ?2v = C, ou ainda a relação de crescimento dentrítico ?.va.Gb = C, onde v é a velocidade de solidificação e C uma constante para ambos os casos, G é o gradiente de temperatura e a e b são constantes. Tais estudos utilizaram fornos de aquecimento à resistência do tipo Bridgman para produzir a solidificação direcional de ligas monotéticas. Existe uma falta de estudos consistentes no desenvolvimento microestrutural de ligas monotéticas durante condições de fluxo de calor transitório, que são de importância primordial, uma vez que esse tipo de fluxo de calor engloba a maioria dos processes industriais e de solidificação. No presente estudo, foram realizados experimentos de solidificação unidirecional em regime não-estacionário com as Iigas hipomonotéticas Al-0,9%Pb e Al-5,5%In, com a liga monotética Al-1,2% Pb e com as Iigas hipermonotéticas Al-5,0%Bi, Al-7,0%Bi e Al- 2,1%Pb, além da análise da rnacrossegregação da liga monotética Al-3,2%Bi. Os parâmetros térmicos como velocidades de crescimento, taxas de resfriamento e gradientes térmicos foram determinados experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento do lingote. A evolução microestrutural foi caracterizada por técnicas metalográficas e os espaçamentos foram correlacionados com os parâmetros térmicos de solidificação. Verificou-se que a lei de crescimento ?2v= C é válida apenas para os casos onde há ocorrência de partículas de soluto dispersas irregularmente na matriz e que esta lei não se aplicou nos casos onde foi observado uma frente monotética celular e morfologia de fibras e cordões de pérolas. Já a lei ?.va.Gb = C se mostrou aplicável em todos os casos ascendentes. O aumento do teor de soluto das ligas e o fluxo convectivo induzido provocaram mudanças nas morfologias das fases, na magnitude dos espaçamentos interfásicos e nos diâmetros das partículasAbstract: Aluminum alloys dispersed with bismuth, lead and indium show promising applications in wear­resistant automotive components. Such dispersions of low melting temperature elements decrease hardness and flow easily under sliding conditions, resulting in favorable tribological behavior. Much research has been devoted in order to better comprehend the distinct morphologies obtained by monotectic reactions. Some researches assume that the interphase spacing evolution in monotectic alloys follows the classical relationship used for eutectics: ?2v = C, or the dendritic growth relationship ?.va.Gb = C, where v is the solidification velocity and C a constant value for both cases, G is the thermal gradient and a and b are constants. Such studies have used Bridgman type het resistance furnaces to produce the directionally solidified monotectic samples. There is a lack of consistent studies on the microstructural development of monotectic alloys during transient heat flowconditions, which are of prime importance since this class of heat flow encompasses the majority of solidification industrial processes. In the present study, directional unsteady-state solidification experiments were carried out with hypomonotectic Al-0.9wt%Pb and Al-5.5wt%In, monotectic Al-1.2wt%Pb and hypermonotectic Al-5.0wt%Bi, Al-7.0wt%Bi and Al-2.1wt%Pb alloys, besides the macrosegregation analysis of the monotectic Al-3.2wt%Bi alloy. Thermal parameters such as the growth rate, cooling rate and thermal gradient were experimentally determined by cooling curves recorded along the casting length. The microstructural evolution was characterized by metallography and the spacings were correlated with the thermal parameters. It is show that the ?2v = C growth law is valid only for the cases where there is a morphology of solute particles irregularly arranged in the matrix and it is not applied on the cases where a cellular monotectic front or fibers and strings of pearls morphologies were observed. On the other hand, ?.va.Gb = C law seems to be able to characterize all the upward cases. The increase in the alloy solute content and induced convective flow affected the morphologies of the resulting phases, the magnitude of the interphase spacing and the diameters of the solute-rich particlesDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânic

Transient solidification of hypomonotectic and monotectic A1-Bi alloys

Orientadores: Amauri Garcia, Jose Eduardo SpinelliDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Ligas de alumínio dispersas com bismuto apresentam aplicações promissoras em componentes automotivos resistentes ao desgaste. Essas dispersões de elementos de baixa temperatura de fusão diminuem a dureza e escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Muitos estudos têm sido realizados a fim de melhor compreender as distintas morfologias obtidas pela reação monotética. Algumas pesquisas assumem que a evolução do espaçamento interfásico na liga monotética Al-Bi obedece à clássica relação utilizada para eutéticos: ?2v = C, onde v é a velocidade de solidificação e C é uma constante. Não há nenhum consenso a respeito dos valores de C encontrados. Além disso, tais estudos utilizaram fornos de aquecimento à resistência do tipo Bridgman para produzir a solidificação direcional de ligas monotéticas. Existe uma falta de estudos consistentes no desenvolvimento microestrutural de ligas monotéticas durante condições de fluxo de calor transitório, que são de importância primordial, uma vez que esse tipo de fluxo de calor engloba a maioria dos processos industriais de solidificação. No presente estudo, foram feitos experimentos de solidificação unidirecional em regime não-estacionário com as ligas hipomonotética Al-2,0%Bi e monotética Al-3,2%Bi. Os parâmetros térmicos como velocidades de crescimento, taxas de resfriamento e gradientes térmicos foram determinados experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento do lingote. Os crescimentos celular e monotético foram caracterizados por técnicas metalográficas, e os espaçamentos celulares e interfásicos correlacionados com os parâmetros térmicos de solidificação. Verificou-se que a lei de crescimento ?2v = C pode ser expressa por um valor de C de 1,70 x10-12, que é em torno de duas ordens de magnitude maior do que aqueles reportados para o regime estacionário. Embora o fluxo convectivo induzido não tenha sido suficiente para mudanças consideráveis na magnitude dos espaçamentos interfásicos, as partículas ricas em bismuto foram afetadas pela direção do crescimento, diminuindo o diâmetro em condições de solidificação vertical descendente, quando comparadas com aquelas obtidas no modo vertical ascendenteAbstract: Aluminium alloys dispersed with bismuth show promising applications in wear-resistant automotive components. Such dispersions of low melting temperature elements decrease hardness and flow easily under sliding conditions, resulting in favorable tribological behavior. Much research has been devoted in order to better comprehend the distinct morphologies obtained by monotectic reaction. Some researches assume that the phase spacing evolution in the monotectic Al-Bi alloy follows the classical relationship used for eutectics: ?2v = C, where v is the solidification velocity and C a constant value. There is no consensus concerning the found C values. Other than, such studies have used Bridgman-type resistance heated furnaces to produce the directionally solidified monotectic samples. There is a lack of consistent studies on the microstructural development of monotectic Al-Bi alloy during transient heat flow conditions, which are of prime importance since this class of heat flow encompasses the majority of solidification industrial processes. In the present study, directional unsteady-state solidification experiments were carried out with hypomonotectic Al-2.0wt%Bi and monotectic Al-3.2wt%Bi alloys. The thermal parameters such as growth rates, cooling rates and thermal gradients were experimentally determined by cooling curves recorded along the casting length. The cellular and monotectic growths were characterized by metallography, being both the cell and the interphase spacing correlated with the thermal parameters. It is shown that the ?2v = C growth law can be expressed by a C value of 1,7x10-12, which is about two orders of magnitude higher than those reported for the steady-state regime. Although the induced convective flow was not enough to considerably change the interphase spacing's magnitude, the Bi-rich particle diameters have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwardsMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestre em Engenharia Mecânic

Ensino através do desenvolvimento de projetos: construção de uma mini furadeira artesanal (micro retifica) / Education through project development: construction of a handmade mini drill (micro rectify)

  O ensino da engenharia deve ter como objetivo proporcionar aprendizagem significativa, contextualizada e orientada para o uso das tecnologias contemporâneas. Também deve favorecer o uso de recursos de inteligência, gerando habilidades de resolução de problemas e conduzindo projetos em vários segmentos do setor produtivo (Moura; Barbosa, 2014). Nesse contexto, o trabalho a seguir foi desenvolvido em sala de aula por estudantes de graduação em engenharia mecânica da Universidade Federal do Pará para a área de usinagem de metais, com o objetivo de obter novos conhecimentos na área de usinagem, bem como o estímulo à criação de novas tecnologias, resolvendo problemas inerentes à vida cotidiana. Essa atividade foi alcançada no protótipo de uma broca 100% artesanal e totalmente funcional, capaz de fazer furos em papelão e madeira de espessuras finas, como palitos de sorvete e compensado, com boa ergonomia e fácil manuseio.  

Usinabilidade de uma liga Al-6%Cu Solidificada em um Dispositivo Direcional Horizontal, pelo Critério de Temperatura de Corte / Machinability of an Al-6.0wt%Cu Alloy Solidified in a Horizontal Directional Device by Cutting Temperature Criterion

A retirada de material através do contato da ferramenta de corte com a peça nas operações de usinagem, geram um grande gasto de energia em forma de calor devido ao atrito e deformação plástica que o material sofre. De acordo com o material e as condições de corte, o calor desprendido pode ser tão alto a ponto de comprometer a resistência e o desempenho da ferramenta. Atualmente existem diversos métodos para a medição de temperatura, no entanto poucos reproduzem fielmente os valores e o comportamento da temperatura no decorrer do processo. A melhoria das operações de usinagem, bem como o conhecimento das temperaturas poderá fornecer benefícios a redução dos mecanismos de desgaste, resultando em um aumento da vida útil da ferramenta. Nesta linha de pesquisa, este trabalho mede a temperatura de corte através de uma termocâmera acoplada ao torno mecânico utilizado no processo de sangramento da liga Al-6%Cu solidificada em um dispositivo direcional. Os resultados apresentam um comportamento variável da taxa de aquecimento durante a usinagem ao longo do lingote. Foi observado que a taxa de aquecimento cresce na zona colunar, mas tem uma redução drástica na zona de transição colunar-equiaxial, que pode ser justificado pela macroestrutura obtida durante o processo de solidificação

Solidification thermal parameters and dendritic growth during the horizontal directional solidification of Al-7wt.%Si alloy

The main purpose of this work is to investigate the influence of thermal parameters such as growth rate (V L) and cooling rate (T R) on the primary dendrite arm spacings (λ1) during the horizontal transient directional solidification of Al-7wt.%Si hypoeutectic alloy. The primary dendrite spacings were measured along the length of the samples and correlated with these thermal parameters. The variation of dendrite spacings is expressed as a power law function of V L and T R given by the formulas λ1 = 55(V L)-1.1 and λ1 = 212 (T R)-0.55, respectively. A comparative study between the results of this work and those from the literature proposed to investigate these dendrite spacings during the upward and downward vertical directional solidification of Al-7wt.%Si alloy is also conducted. Finally, the experimental data are compared with some predictive dendritic models from the literature

On the Natural Convection in the Columnar to Equiaxed Transition in Directionally Solidified Aluminum-based Binary and Multicomponent Alloys

In order to investigate the effect of natural convection in columnar to equiaxed transition (CET), Al-3.0wt.%Cu and Al-3.0wt.%Cu-5.5wt.%Si alloys ingots were obtained during the transient horizontal directional solidification (THDS). Aiming to analyze the effect of superheat in the formation of the macrostructure in ternary Al-Cu-Si alloy, the experiments were conducted with three superheat temperatures above the liquidus temperature of the ternary alloy. A water-cooled solidification experimental device was used. Continuous temperature measurements were made during solidification at different positions in the casting and the data were automatically acquired. Thermal analysis has been applied to determine the thermal parameters such as growth rate (VL), cooling rate (TR) and temperature gradient (GL), whose values have been interrelated with the CET. The observation of the macrostructures has indicated that the resulting thermosolutal convection combined with superheat seem to favor the transition, which did not occur in a single plane, for all ingots obtained, i.e., it has been seen in a range of positions in ingots. The addition of Si element in binary Al-Cu alloy anticipates the CET. A comparison with experimental results for CET occurrence in different growth directions has been carried out