Documento confidencial. Não pode ser disponibilizado para consulta / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

As propriedades metalúrgicas e mecânicas de uma liga metálica dependem fundamentalmente do fenômeno de solidificação e dos parâmetros associados a este. O trabalho proposto analisa a solidificação em uma primeira etapa para o projeto e otimização de moldes de fundição em areia. Nessa etapa utilizou-se como ferramenta um software comercial e resultados experimentais obtidos na indústria. Em uma segunda etapa do trabalho foi investigado as características de solidificação e suas influencias nas propriedades mecânicas e metalúrgicas de ligas de latão. A liga de latão 60/40, foi vazada em molde de areia com base de cobre objetivando uma condição de solidificação unidirecional. O monitoramento de temperaturas foi realizado utilizando-se termopares do Tipo K posicionados ao longo da altura do lingote. O lingote solidificado foi dividido em várias secções ao longo de sua altura, e para cada secção foram retirados corpos de provas e ensaiados segundo as normas ASTM E 8M-97 e ASTM E 18 – 94 para os ensaios mecânicos (σu, HRB e HV) e ASTM E112 para análise metalográfica. Os resultados da solidificação, como por exemplo o espaçamento dendritico secundário foram correlacionados com o comportamento da transferência de calor no sistema, tomando como parâmetros o gradiente térmico, a velocidade da interface (S/L) e a taxa de resfriamento, os quais foram obtidos experimentalmente. Estas características do processo metalúrgico e os resultados da solidificação foram relacionados com as propriedades mecânicas como a resistência à tração (σu) e a dureza (HRB e HV). Foram obtidas, empiricamente, expressões do tipo σu = f( λ2), HRB = f( λ2) , HV = f( λ2) e σu = f( HRB). Os resultados se mostraram coerentes com os dados da literatura e a relação de Hall-Petch que associa a dureza HRB com o espaçamento dendritico secundario. Palavras Chaves: modelagem em areia, microestrutura, propriedades mecânicas, liga de latão, solidificação, EDS.

As propriedades metalúrgicas e mecânicas de uma liga metálica dependem fundamentalmente do fenômeno de solidificação e dos parâmetros associados a este. O trabalho proposto analisa a solidificação em uma primeira etapa para o projeto e otimização de moldes de fundição em areia. Nessa etapa utilizou-se como ferramenta um software comercial e resultados experimentais obtidos na indústria. Em uma segunda etapa do trabalho foi investigado as características de solidificação e suas influencias nas propriedades mecânicas e metalúrgicas de ligas de latão. A liga de latão 60/40, foi vazada em molde de areia com base de cobre objetivando uma condição de solidificação unidirecional. O monitoramento de temperaturas foi realizado utilizando-se termopares do Tipo K posicionados ao longo da altura do lingote. O lingote solidificado foi dividido em várias secções ao longo de sua altura, e para cada secção foram retirados corpos de provas e ensaiados segundo as normas ASTM E 8M-97 e ASTM E 18 – 94 para os ensaios mecânicos (σu, HRB e HV) e ASTM E112 para análise metalográfica. Os resultados da solidificação, como por exemplo o espaçamento dendritico secundário foram correlacionados com o comportamento da transferência de calor no sistema, tomando como parâmetros o gradiente térmico, a velocidade da interface (S/L) e a taxa de resfriamento, os quais foram obtidos experimentalmente. Estas características do processo metalúrgico e os resultados da solidificação foram relacionados com as propriedades mecânicas como a resistência à tração (σu) e a dureza (HRB e HV). Foram obtidas, empiricamente, expressões do tipo σu = f( λ2), HRB = f( λ2) , HV = f( λ2) e σu = f( HRB). Os resultados se mostraram coerentes com os dados da literatura e a relação de Hall-Petch que associa a dureza HRB com o espaçamento dendritico secundario. Palavras Chaves: modelagem em areia, microestrutura, propriedades mecânicas, liga de latão, solidificação, EDS.

As propriedades metalúrgicas e mecânicas de uma liga metálica dependem fundamentalmente do fenômeno de solidificação e dos parâmetros associados a este. O trabalho proposto analisa a solidificação em uma primeira etapa para o projeto e otimização de moldes de fundição em areia. Nessa etapa utilizou-se como ferramenta um software comercial e resultados experimentais obtidos na indústria. Em uma segunda etapa do trabalho foi investigado as características de solidificação e suas influencias nas propriedades mecânicas e metalúrgicas de ligas de latão. A liga de latão 60/40, foi vazada em molde de areia com base de cobre objetivando uma condição de solidificação unidirecional. O monitoramento de temperaturas foi realizado utilizando-se termopares do Tipo K posicionados ao longo da altura do lingote. O lingote solidificado foi dividido em várias secções ao longo de sua altura, e para cada secção foram retirados corpos de provas e ensaiados segundo as normas ASTM E 8M-97 e ASTM E 18 – 94 para os ensaios mecânicos (σu, HRB e HV) e ASTM E112 para análise metalográfica. Os resultados da solidificação, como por exemplo o espaçamento dendritico secundário foram correlacionados com o comportamento da transferência de calor no sistema, tomando como parâmetros o gradiente térmico, a velocidade da interface (S/L) e a taxa de resfriamento, os quais foram obtidos experimentalmente. Estas características do processo metalúrgico e os resultados da solidificação foram relacionados com as propriedades mecânicas como a resistência à tração (σu) e a dureza (HRB e HV). Foram obtidas, empiricamente, expressões do tipo σu = f( λ2), HRB = f( λ2) , HV = f( λ2) e σu = f( HRB). Os resultados se mostraram coerentes com os dados da literatura e a relação de Hall-Petch que associa a dureza HRB com o espaçamento dendritico secundario. Palavras Chaves: modelagem em areia, microestrutura, propriedades mecânicas, liga de latão, solidificação, EDS.

Os permutadores de calor são equipamentos projetados para realizar a transferência de energia térmica entre dois fluidos, utilizando-se, geralmente, materiais metálicos como meio condutor e água de resfriamento para absorver calor desses equipamentos em processos industriais. Esta água quando não devidamente tratada, apresenta uma série de inconvenientes como depósito em tubulações e tubos, ocasionando perda de carga, e corrosão com conseqüentes perfurações nos tubos. Este trabalho visa avaliar a utilização de ligas de cobre-zinco (latão) em tubos de permutadores de calor que trabalham com água de resfriamento na UN-RECAP. Foram levantadas curvas de polarização das ligas de tubos latão C44300, C44500 e C68700 utilizadas nos permutadores de calor da Unidade, utilizando-se como eletrólito a água de resfriamento de uma torre de resfriamento da Unidade, com preparação de superfície das amostras com e sem passivação prévia em solução do inibidor de corrosão. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente e à temperatura crítica dos permutadores de 60ºC. Para avaliação dos mecanismos de falhas dos permutadores de calor mais críticos da Unidade, foram utilizados: o histórico das análises físico-químicas da água de resfriamento, os resultados dos ensaios de IRIS, as curvas de polarização e o histórico de inspeção dos equipamentos. Os resultados das curvas de polarização das ligas de latão apresentaram dissolução ativa sem passivação para todas as ligas na temperatura ambiente e na temperatura crítica, com indicativo de passivação para a amostra C44300 com passivação prévia ensaiada a temperatura ambiente. O processo de dezincificação foi identificado nos processos de falha dos permutadores de calor em operação. / Heat exchangers are equipment designed to accomplish the heat transfer between two fluids, using metallic materials as conductive middle and a cooling water to absorb heat in those equipments. This water, when not properly treated, presents a series of inconveniences as deposits on pipes, load loss and corrosion with consequent holes in the tubes. This study aims to evaluate the use of copper-zinc alloys (brasses) in tubes of heat exchangers that work with cooling water system of the UN-RECAP/PETROBRAS. There were lifted up polarization curves of brasses alloys tubes C44300, C44500 and C68700 used in heat exchangers being used cooling water as electrolyte, with samples surface preparation with and without prior passivation solution of a corrosion inhibitor. Tests were performed at room temperature and to the critical temperature at 60ºC (the critical temperature). In order to evaluate the failure mechanisms of the most critical heat exchangers, physical and chemical analysis, historical of cooling water, IRIS test results, polarization curves and inspection data reports were used. The results of polarization curves of brasses alloys showed active dissolution without passivation for all alloys at room temperature and critical temperature, with an indication of passivation of the sample with prior passivation tested at room temperature. The process of dealloying was identified in the process failures of heat exchangers in operation.

Os permutadores de calor são equipamentos projetados para realizar a transferência de energia térmica entre dois fluidos, utilizando-se, geralmente, materiais metálicos como meio condutor e água de resfriamento para absorver calor desses equipamentos em processos industriais. Esta água quando não devidamente tratada, apresenta uma série de inconvenientes como depósito em tubulações e tubos, ocasionando perda de carga, e corrosão com conseqüentes perfurações nos tubos. Este trabalho visa avaliar a utilização de ligas de cobre-zinco (latão) em tubos de permutadores de calor que trabalham com água de resfriamento na UN-RECAP. Foram levantadas curvas de polarização das ligas de tubos latão C44300, C44500 e C68700 utilizadas nos permutadores de calor da Unidade, utilizando-se como eletrólito a água de resfriamento de uma torre de resfriamento da Unidade, com preparação de superfície das amostras com e sem passivação prévia em solução do inibidor de corrosão. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente e à temperatura crítica dos permutadores de 60ºC. Para avaliação dos mecanismos de falhas dos permutadores de calor mais críticos da Unidade, foram utilizados: o histórico das análises físico-químicas da água de resfriamento, os resultados dos ensaios de IRIS, as curvas de polarização e o histórico de inspeção dos equipamentos. Os resultados das curvas de polarização das ligas de latão apresentaram dissolução ativa sem passivação para todas as ligas na temperatura ambiente e na temperatura crítica, com indicativo de passivação para a amostra C44300 com passivação prévia ensaiada a temperatura ambiente. O processo de dezincificação foi identificado nos processos de falha dos permutadores de calor em operação. / Heat exchangers are equipment designed to accomplish the heat transfer between two fluids, using metallic materials as conductive middle and a cooling water to absorb heat in those equipments. This water, when not properly treated, presents a series of inconveniences as deposits on pipes, load loss and corrosion with consequent holes in the tubes. This study aims to evaluate the use of copper-zinc alloys (brasses) in tubes of heat exchangers that work with cooling water system of the UN-RECAP/PETROBRAS. There were lifted up polarization curves of brasses alloys tubes C44300, C44500 and C68700 used in heat exchangers being used cooling water as electrolyte, with samples surface preparation with and without prior passivation solution of a corrosion inhibitor. Tests were performed at room temperature and to the critical temperature at 60ºC (the critical temperature). In order to evaluate the failure mechanisms of the most critical heat exchangers, physical and chemical analysis, historical of cooling water, IRIS test results, polarization curves and inspection data reports were used. The results of polarization curves of brasses alloys showed active dissolution without passivation for all alloys at room temperature and critical temperature, with an indication of passivation of the sample with prior passivation tested at room temperature. The process of dealloying was identified in the process failures of heat exchangers in operation.

Os permutadores de calor são equipamentos projetados para realizar a transferência de energia térmica entre dois fluidos, utilizando-se, geralmente, materiais metálicos como meio condutor e água de resfriamento para absorver calor desses equipamentos em processos industriais. Esta água quando não devidamente tratada, apresenta uma série de inconvenientes como depósito em tubulações e tubos, ocasionando perda de carga, e corrosão com conseqüentes perfurações nos tubos. Este trabalho visa avaliar a utilização de ligas de cobre-zinco (latão) em tubos de permutadores de calor que trabalham com água de resfriamento na UN-RECAP. Foram levantadas curvas de polarização das ligas de tubos latão C44300, C44500 e C68700 utilizadas nos permutadores de calor da Unidade, utilizando-se como eletrólito a água de resfriamento de uma torre de resfriamento da Unidade, com preparação de superfície das amostras com e sem passivação prévia em solução do inibidor de corrosão. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente e à temperatura crítica dos permutadores de 60ºC. Para avaliação dos mecanismos de falhas dos permutadores de calor mais críticos da Unidade, foram utilizados: o histórico das análises físico-químicas da água de resfriamento, os resultados dos ensaios de IRIS, as curvas de polarização e o histórico de inspeção dos equipamentos. Os resultados das curvas de polarização das ligas de latão apresentaram dissolução ativa sem passivação para todas as ligas na temperatura ambiente e na temperatura crítica, com indicativo de passivação para a amostra C44300 com passivação prévia ensaiada a temperatura ambiente. O processo de dezincificação foi identificado nos processos de falha dos permutadores de calor em operação. / Heat exchangers are equipment designed to accomplish the heat transfer between two fluids, using metallic materials as conductive middle and a cooling water to absorb heat in those equipments. This water, when not properly treated, presents a series of inconveniences as deposits on pipes, load loss and corrosion with consequent holes in the tubes. This study aims to evaluate the use of copper-zinc alloys (brasses) in tubes of heat exchangers that work with cooling water system of the UN-RECAP/PETROBRAS. There were lifted up polarization curves of brasses alloys tubes C44300, C44500 and C68700 used in heat exchangers being used cooling water as electrolyte, with samples surface preparation with and without prior passivation solution of a corrosion inhibitor. Tests were performed at room temperature and to the critical temperature at 60ºC (the critical temperature). In order to evaluate the failure mechanisms of the most critical heat exchangers, physical and chemical analysis, historical of cooling water, IRIS test results, polarization curves and inspection data reports were used. The results of polarization curves of brasses alloys showed active dissolution without passivation for all alloys at room temperature and critical temperature, with an indication of passivation of the sample with prior passivation tested at room temperature. The process of dealloying was identified in the process failures of heat exchangers in operation.

Este trabalho visou estudar o efeito dos parâmetros microestruturais da liga de latão 60/40 isenta de chumbo, com enfoque na observação da influência de 4 diferentes frações volumétricas e morfologias da fase &#946 nos aspectos de usinabilidade. Os resultados foram comparados com duas referências comerciais de ligas de latão, sendo uma de corte livre com adição de chumbo, e outra de latão 70/30 isenta de fase &#946. Esta comparação foi feita por meio dos ensaios de caracterização microestrutural, ensaios mecânicos de dureza Vickers, tração uniaxial e ensaios de usinabilidade. Na avaliação da usinabilidade foram estudadas as morfologias macro e microestrutural dos cavacos, rugosidade final das peças usinadas, medição das forças de corte e análise da vida útil da ferramenta. Esta comparação de desempenho em usinabilidade busca viabilizar a gradativa substituição das ligas de latão com chumbo por ligas isentas de metais pesados, preenchendo uma demanda crescente de mercado por este tipo de produto. A fase &#946 exerce uma importante influência na redução das forças de corte e rugosidade, além do fato de que o efeito térmico cumpre um papel importante no comportamento em usinagem dos latões, evidenciado pela alteração das frações volumétricas das fases µ e &#946 no cavaco analisado, a qual é associada a uma transformação de ordem-desordem. / This work presents a study of microstructural features of lead-free 60/40 brasses on their machinability, which was focused on the observation of four different volumetric fractions and morphologies of &#946 phase. Two commercial brasses were used as base materials: a free cutting brass with lead and a 70/30 brass without &#946 phase, respectively. These materials were manufactured through hot extruded, cold worked and heat treated rods of these three different alloys, and submitted a microstructure analysis, and mechanical characterization by Vickers hardness and a uniaxial tensile test. Machinability tests were conducted to evaluate the morphology and microstructure of the chips and the final roughness of the workpieces, cutting forces and tool wear test. The results help to evaluate the feasibility of substitution of the leaded brasses for brasses without heavy metals, filling a growing demand for this product in the industry. The &#946 phase has a strong influence on cutting forces and roughness reduction as well as the thermal effect plays an important role in the volume fraction of µ and &#946 phases of the analyzed chip, which was related to the presence of &#946 phase and an order-disorder transformation.

A liga Cu-30%Zn, conhecida como latão 70/30, possui diversas aplicações comerciais, tais como cartuchos para munição e conectores elétricos. Na produção de chapas e barras dessa liga no formato e nas propriedades almejadas para a aplicação final, comumente utiliza-se de tratamento térmicos para restauração das propriedades mecânicas, chamados de recozimento. Em particular, o efeito de solutos em solução sólida é um fator determinante para o comportamento de ligas metálicas durante o recozimento e deve ganhar importância com a tendência industrial de utilização de matéria-prima reciclada, gerando adições inadvertidas de elementos químicos que estarão presentes como solutos em solução sólida. Este trabalho levanta dados referentes a alterações no comportamento do latão 70/30 diante do tratamento de recozimento causados por teores residuais de ferro. Com base na revisão da literatura, propôs-se a metodologia de tratamentos interrompidos em dilatômetro para o estudo do recozimento de três materiais: CuZn-1Fe (0,0126%Fe), CuZn-4Fe (0,0417%Fe) e CuZn-6Fe (0,0599%Fe). Duas taxas de aquecimento foram utilizadas: 10 ºC/min e 1000 ºC/min. As propriedades mecânicas foram avaliadas em termos de microdureza Vickers e a fração recristalizada determinada por metalografia quantitativa. As análises microestruturais mostraram que a recristalização inicia-se preferencialmente em bandas de cisalhamento. A análise conjugada dos resultados mostra a seguinte faixa de temperatura de recristalização: taxa de aquecimento de 10 ºC/min - 295ºC a 345ºC; taxa de 1000 ºC/min - 365ºC a 445ºC, sendo que o teor residual de ferro não causa alterações neste comportamento. A análise das amostras recozidas isotermicamente a 500ºC e a 600ºC mostram uma tendência à formação de uma microestrutura heterogênea, possivelmente pela evolução da microestrutura de recristalização, que dá origem a grãos grosseiros em sua etapa final. A amostra com 599 ppm de Fe não apresentou evolução do tamanho de grão a 500ºC. Resultados de MET não mostraram a formação de partículas dispersas, enquanto análises de DSC revelaram um pico prévio à recristalização, identificado como a formação de uma atmosfera de Cottrell, sendo esta atrasada pela presença de ferro em solução sólida. / The Cu-30%Zn alloy, known as 70/30 brass, has many commercial applications like ammunition cartridge and electronic connectors. To properly produce strips and bars of this material it is necessary to realize a heating treatment called annealing, which aims on recovering the mechanical properties of the material. The effect of solute atoms is a high important factor to determine the material behavior during annealing. This issue is getting even more importance to industrial applications, due to the increase of the recycle of waste products. These wastes often contaminate the molten metal with foreign elements which may be in solid solution after solidification. This work aims to assess changes in behavior of the 70/30 brass during annealing due to iron in residual content. Based on literature, it was proposed a methodology which takes advantages of interrupted annealing in dilatomer and isothermal annealing for three different iron residual content: CuZn- 1Fe (0,0126%Fe), CuZn-4Fe (0,0417%Fe) and CuZn-6Fe (0,0599%Fe). Two heating rates were used: 10 ºC/min e 1000 ºC/min. The mechanical properties were evaluated by Vickers microhardness and the recrystallized fraction was determined by quantitative microscopy. The microstructural analysis showed that the recrystallization starts preferentially on shear bands. The results from different techniques showed that the recrystallization temperature range is 295ºC to 345ºC when the heating rate was 10 ºC/min and 365º to 445ºC for 1000 ºC/min. There were no evidences of changing the brass behavior during annealing with the residual iron content. The isothermal annealed samples demonstrated a tendency for the formation of a heterogeneous microstructure at both 500ºC or 600ºC, which can be due to the recrystallization microstructure evolution. In the final stage, bigger recrystallized grains are formed inside cold worked grains. Also, the material with 599 ppm Fe did not change its grain size during annealing at 500ºC. MET results did not demonstrate the occurrence of dispersed iron particles. DSC analysis showed a peak prior to recrystallization, which was identified as the formation of a Cottrell atmosphere in all samples. The iron solute seems to detain its occurrence.

Este trabalho visou estudar o efeito dos parâmetros microestruturais da liga de latão 60/40 isenta de chumbo, com enfoque na observação da influência de 4 diferentes frações volumétricas e morfologias da fase &#946 nos aspectos de usinabilidade. Os resultados foram comparados com duas referências comerciais de ligas de latão, sendo uma de corte livre com adição de chumbo, e outra de latão 70/30 isenta de fase &#946. Esta comparação foi feita por meio dos ensaios de caracterização microestrutural, ensaios mecânicos de dureza Vickers, tração uniaxial e ensaios de usinabilidade. Na avaliação da usinabilidade foram estudadas as morfologias macro e microestrutural dos cavacos, rugosidade final das peças usinadas, medição das forças de corte e análise da vida útil da ferramenta. Esta comparação de desempenho em usinabilidade busca viabilizar a gradativa substituição das ligas de latão com chumbo por ligas isentas de metais pesados, preenchendo uma demanda crescente de mercado por este tipo de produto. A fase &#946 exerce uma importante influência na redução das forças de corte e rugosidade, além do fato de que o efeito térmico cumpre um papel importante no comportamento em usinagem dos latões, evidenciado pela alteração das frações volumétricas das fases µ e &#946 no cavaco analisado, a qual é associada a uma transformação de ordem-desordem. / This work presents a study of microstructural features of lead-free 60/40 brasses on their machinability, which was focused on the observation of four different volumetric fractions and morphologies of &#946 phase. Two commercial brasses were used as base materials: a free cutting brass with lead and a 70/30 brass without &#946 phase, respectively. These materials were manufactured through hot extruded, cold worked and heat treated rods of these three different alloys, and submitted a microstructure analysis, and mechanical characterization by Vickers hardness and a uniaxial tensile test. Machinability tests were conducted to evaluate the morphology and microstructure of the chips and the final roughness of the workpieces, cutting forces and tool wear test. The results help to evaluate the feasibility of substitution of the leaded brasses for brasses without heavy metals, filling a growing demand for this product in the industry. The &#946 phase has a strong influence on cutting forces and roughness reduction as well as the thermal effect plays an important role in the volume fraction of µ and &#946 phases of the analyzed chip, which was related to the presence of &#946 phase and an order-disorder transformation.