Submitted by Livia Mello (liviacmello@yahoo.com.br) on 2016-10-04T18:22:07Z No. of bitstreams: 1 DissJGD.pdf: 11056597 bytes, checksum: 7c2ae004498264234da278ba154c685f (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:25:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJGD.pdf: 11056597 bytes, checksum: 7c2ae004498264234da278ba154c685f (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:25:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJGD.pdf: 11056597 bytes, checksum: 7c2ae004498264234da278ba154c685f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-11T20:29:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJGD.pdf: 11056597 bytes, checksum: 7c2ae004498264234da278ba154c685f (MD5) Previous issue date: 2015-03-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Bimetallic pipes represent a solution for cost reduction to pipelines in the oil and gas industry, because they combine two materials with distinct characteristics in the pipe manufacturing: a HSLA steel, constituting the external part of the pipe, providing mechanical strength and toughness, and a corrosion resistant alloy (CRA), constituting the internal part of the pipe. Bimetallic pipes can be manufactured by centrifugal casting, which gives a metallurgical bonding between the constituent materials (cladding). The objective of this work was to evaluate the interface of a bimetallic clad pipe produced by centrifugal casting, where the pipe was manufactured externally in HSLA steel (API 5L X65Q) and internally in a Ni-Cr-Mo alloy (Inconel 625) by pouring the two constituent alloys at the same side of the spinning mold. Due the temperature loss along the mold length during the CRA pouring, occurred excessive erosion in the steel close to pouring side of the pipe (hotter side) and just a little appreciable erosion close to the opposite side (colder side), where the defects accumulation prevented a suitable cladding in this region. This erosion promoted an increase of the Fe content of CRA. The as-cast microstructure of the steel in the regions where a satisfactory cladding have been observed in the interface was composed by a decarburized region with the presence of low-carbon bainite adjacent to the interface and polygonal ferrite farther from it. It was possible to combine the solubilization treatment at 1200°C/1h for the CRA and quench treatment followed by tempering necessary to ensure the mechanical properties of the steel as described by the API 5L and 5LD standards, without the occurrence of aging at the CRA. The most suitable tempering treatment have been determined at 650°C/1h, according to the mechanical tests performed at the half-length section of the bimetallic pipe and compared with a monolayer API X65Q pipe as reference. / Tubos bimetálicos representam uma solução de redução de custos em tubulações para a indústria de óleo e gás, pois combinam dois materiais de características distintas na confecção dos tubos: um aço ARBL, que compõe a parte externa do tubo, conferindo resistência mecânica e tenacidade, e uma liga resistente à corrosão (CRA), compondo a parte interna do tubo. Tubos bimetálicos podem ser fabricados por fundição centrífuga, conferindo uma união metalúrgica entre os materiais constituintes (cladeamento). O objetivo do trabalho foi avaliar a interface de um tubo bimetálico cladeado produzido por fundição por centrifugação, onde o tubo externamente é fabricado em aço ARBL (API 5L X65Q) e internamente em uma liga de Ni-Cr-Mo (Inconel 625), com o vazamento das duas ligas constituintes ocorrendo pelo mesmo lado do molde rotatório. Devido à perda de temperatura ao longo do molde durante o vazamento da liga, ocorreu erosão excessiva no aço no lado do vazamento do tubo (lado mais quente) e pouca erosão apreciável no lado oposto (mais frio), onde o acúmulo de defeitos impediu um cladeamento adequado nesta região. Esta erosão promoveu um aumento no teor de Fe da CRA. A microestrutura do aço na interface das regiões onde o cladeamento ocorreu de modo satisfatório foi composta por uma região descarbonetada, com bainita de baixo carbono adjacente à interface e ferrita poligonal presente mais distante da interface. Foi possível compatibilizar o tratamento de solubilização à 1200°C/1h da CRA e o tratamento de têmpera e seguido de revenimento, necessário ao aço para garantir as propriedades mecânicas descritas pela norma API 5L e 5LD, sem que ocorresse envelhecimento da CRA. O tratamento revenimento mais adequado foi determinado como sendo 650°C/1h, segundo os ensaios mecânicos realizados na seção do meio do tubo bimetálico e comparados a um tubo monocamada em aço API 5L X65Q de referência.

As ligas de alumínio hipereutéticas fundidas por centrifugação apresentam a possibilidade de obtenção de um gradiente funcional de propriedades no material (Functionally Graded Material - FGM). Na fundição por centrifugação, os compostos menos densos tenderão a se concentrar no diâmetro interno de um tubo centrifugado. Como a massa específica do silício e do Mg2Si são menores do que a do alumínio, as partículas dessas fases tendem a concentrar-se na parede interna de tubos centrifugados. Em função disto, este estudo tem como objetivo dar uma contribuição ao entendimento dos mecanismos de migração das partículas de silício e de Mg2Si numa liga de alumínio hipereutética com 19% de silício e com adições de cobre e magnésio fundidas por centrifugação. Diante disto, foram obtidos tubos da liga Al-19%Si com adições de até 5% de cobre e 5% de magnésio por meio da fundição centrífuga numa rotação de 1700 rpm. A caracterização microestrutural em diversas regiões dos tubos centrifugados foi feita utilizando-se a microscopia óptica e eletrônica de varredura com sistema de análise de imagens. A fração das fases presentes e a dureza Vickers foram determinadas ao longo da parede do tubo em diversas posições de vazamento. A fundição centrífuga promove a segregação de partículas de silício primário e de Mg2Si, com massas específicas menores para a parede interna do tubo. Esta segregação é mais acentuada na região final de vazamento devido ao maior tempo de centrifugação até a solidificação. Uma retenção de partículas junto à parede externa do tubo ocorre em decorrência da mais elevada taxa de resfriamento da liga fundida em contato com a parede do molde mais frio. Esta retenção também foi maior na região do tubo de início de vazamento em relação à de final de vazamento. A adição de cobre intensificou a migração das partículas devido ao aumento da densidade do líquido. O aumento do teor de cobre na liga também inibiu a presença de dendritas de alumínio primário que ocorrem em grandes quantidades nas regiões centrais das paredes dos tubos centrifugados. O perfil de dureza ao longo da parede do tubo indicou um aumento de dureza relacionado diretamente à quantidade de partículas de silício (β) e Mg2Si. / A functionally gradient material, in terms of its properties, can be obtained with centrifugally cast hypereutectic aluminum alloys. In centrifugal casting, the less dense compounds tend to concentrate close to the inner wall of a centrifugally cast tube. Since the specific mass of silicon and Mg2Si are less than that of aluminum, particles of these phases tend to concentrate at the inner walls of centrifugally cast tubes. On the basis of this, the aim of this study was to contribute towards increased understanding of the mechanism of segregation of silicon and Mg2Si particles in a centrifugally cast hypereutectic aluminum - 19% silicon alloy to which copper and magnesium were added. Hence, tubes of Al-19%Si alloy with up to 5% copper and up to 5% magnesium were centrifugally cast at rotational speed of 1700 rpm. Microstructural examination of various regions of the centrifugally cast tubes was carried out using an optical microscope and a scanning electron microscope coupled to an image analyzer. The amount of phases that formed and the Vickers hardness were determined across the thickness of the tube at different positions. Centrifugal casting promotes segregation of primary silicon and Mg2Si particles, (with lower specific weights) towards the inner walls of the tube. This segregation was higher at regions that were last to be cast, and due to longer centrifugation until solidification. Retention of particles close to the outer wall of the tube took place due to higher cooling rate of the cast alloy in contact with the cold walls of the mold. This retention was also higher at regions of the tube that were cast first compared with those that were cast last. The addition of copper increased particle migration due to increase in density of the liquid. Increase in the amount of copper in the alloy also inhibited the presence of primary aluminum dendrites that form in large quantities at the central regions of centrifugally cast tube walls. The hardness profile along the tube wall indicated an increase in hardness and this is directly related to the quantity of (β) silicon and Mg2Si particles.

A fundição centrífuga é um importante processo de produção de tubos de ligas metálicas e de cilindros de laminação. A transferência de calor no metal durante a fundição centrífuga de tubos foi modelada matematicamente e o coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde determinado em função do tempo utilizando a técnica da solução inversa. A solução inversa foi obtida a partir das curvas de resfriamento experimentais disponíveis na literatura para a fundição centrífuga de um tubo de ferro-fundido. O resultado da solução inversa mostrou, pela primeira vez, que o comportamento do coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga é semelhante ao da fundição estática: tem-se um valor elevado logo após o vazamento, apresentando um decréscimo exponencial com o tempo. Um modelo matemático da transferência de calor na interface metal-molde foi desenvolvido com base nos mecanismos fundamentais de transferência de calor, como a transferência por condução e radiação através do vão formado nesta interface. Para a previsão deste vão, foram considerados os efeitos da contração térmica e da deformação plástica da casca metálica solidificada. A utilização deste modelo matemático para a transferência de calor na interface metal-molde permitiu o cálculo de curvas de resfriamento em excelente aderência às curvas experimentais reportadas na literatura. / Centrifugal casting is an important process to produce metallic pipes in general and cylinders for steel rolling mills. A mathematical model was proposed for the heat transfer during solidification of centrifugally cast pipes. The heat transfer coefficient at the metal-mold interface was determined as a function of time by the inverse solution technique. The inverse solution was obtained using experimental cooling curves available in the literature for a centrifugally cast-iron pipe. The inverse solution showed, for the first time, that the behavior with time of the heat transfer coefficient at the metal-mold interface is analogous to that observed in traditional static casting processes: an initial relatively large value decreases exponentially with time. A mathematical model for the heat transfer at the metal-mold interface based on fundamental heat transfer principles was proposed. In this model, the heat conduction and radiation in the gap formed at the metal-mold interface, as well as the thermal and plastic deformation of the solid shell, were taken into account. This model, applied to predict the solidification of a cast-iron tube in the centrifugal casting process, enabled the calculation of cooling curves that are in excellent agreement with experimentally measured curves.

As ligas de alumínio hipereutéticas fundidas por centrifugação apresentam a possibilidade de obtenção de um gradiente funcional de propriedades no material (Functionally Graded Material - FGM). Na fundição por centrifugação, os compostos menos densos tenderão a se concentrar no diâmetro interno de um tubo centrifugado. Como a massa específica do silício e do Mg2Si são menores do que a do alumínio, as partículas dessas fases tendem a concentrar-se na parede interna de tubos centrifugados. Em função disto, este estudo tem como objetivo dar uma contribuição ao entendimento dos mecanismos de migração das partículas de silício e de Mg2Si numa liga de alumínio hipereutética com 19% de silício e com adições de cobre e magnésio fundidas por centrifugação. Diante disto, foram obtidos tubos da liga Al-19%Si com adições de até 5% de cobre e 5% de magnésio por meio da fundição centrífuga numa rotação de 1700 rpm. A caracterização microestrutural em diversas regiões dos tubos centrifugados foi feita utilizando-se a microscopia óptica e eletrônica de varredura com sistema de análise de imagens. A fração das fases presentes e a dureza Vickers foram determinadas ao longo da parede do tubo em diversas posições de vazamento. A fundição centrífuga promove a segregação de partículas de silício primário e de Mg2Si, com massas específicas menores para a parede interna do tubo. Esta segregação é mais acentuada na região final de vazamento devido ao maior tempo de centrifugação até a solidificação. Uma retenção de partículas junto à parede externa do tubo ocorre em decorrência da mais elevada taxa de resfriamento da liga fundida em contato com a parede do molde mais frio. Esta retenção também foi maior na região do tubo de início de vazamento em relação à de final de vazamento. A adição de cobre intensificou a migração das partículas devido ao aumento da densidade do líquido. O aumento do teor de cobre na liga também inibiu a presença de dendritas de alumínio primário que ocorrem em grandes quantidades nas regiões centrais das paredes dos tubos centrifugados. O perfil de dureza ao longo da parede do tubo indicou um aumento de dureza relacionado diretamente à quantidade de partículas de silício (β) e Mg2Si. / A functionally gradient material, in terms of its properties, can be obtained with centrifugally cast hypereutectic aluminum alloys. In centrifugal casting, the less dense compounds tend to concentrate close to the inner wall of a centrifugally cast tube. Since the specific mass of silicon and Mg2Si are less than that of aluminum, particles of these phases tend to concentrate at the inner walls of centrifugally cast tubes. On the basis of this, the aim of this study was to contribute towards increased understanding of the mechanism of segregation of silicon and Mg2Si particles in a centrifugally cast hypereutectic aluminum - 19% silicon alloy to which copper and magnesium were added. Hence, tubes of Al-19%Si alloy with up to 5% copper and up to 5% magnesium were centrifugally cast at rotational speed of 1700 rpm. Microstructural examination of various regions of the centrifugally cast tubes was carried out using an optical microscope and a scanning electron microscope coupled to an image analyzer. The amount of phases that formed and the Vickers hardness were determined across the thickness of the tube at different positions. Centrifugal casting promotes segregation of primary silicon and Mg2Si particles, (with lower specific weights) towards the inner walls of the tube. This segregation was higher at regions that were last to be cast, and due to longer centrifugation until solidification. Retention of particles close to the outer wall of the tube took place due to higher cooling rate of the cast alloy in contact with the cold walls of the mold. This retention was also higher at regions of the tube that were cast first compared with those that were cast last. The addition of copper increased particle migration due to increase in density of the liquid. Increase in the amount of copper in the alloy also inhibited the presence of primary aluminum dendrites that form in large quantities at the central regions of centrifugally cast tube walls. The hardness profile along the tube wall indicated an increase in hardness and this is directly related to the quantity of (β) silicon and Mg2Si particles.

A fundição centrífuga é um importante processo de produção de tubos de ligas metálicas e de cilindros de laminação. A transferência de calor no metal durante a fundição centrífuga de tubos foi modelada matematicamente e o coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde determinado em função do tempo utilizando a técnica da solução inversa. A solução inversa foi obtida a partir das curvas de resfriamento experimentais disponíveis na literatura para a fundição centrífuga de um tubo de ferro-fundido. O resultado da solução inversa mostrou, pela primeira vez, que o comportamento do coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga é semelhante ao da fundição estática: tem-se um valor elevado logo após o vazamento, apresentando um decréscimo exponencial com o tempo. Um modelo matemático da transferência de calor na interface metal-molde foi desenvolvido com base nos mecanismos fundamentais de transferência de calor, como a transferência por condução e radiação através do vão formado nesta interface. Para a previsão deste vão, foram considerados os efeitos da contração térmica e da deformação plástica da casca metálica solidificada. A utilização deste modelo matemático para a transferência de calor na interface metal-molde permitiu o cálculo de curvas de resfriamento em excelente aderência às curvas experimentais reportadas na literatura. / Centrifugal casting is an important process to produce metallic pipes in general and cylinders for steel rolling mills. A mathematical model was proposed for the heat transfer during solidification of centrifugally cast pipes. The heat transfer coefficient at the metal-mold interface was determined as a function of time by the inverse solution technique. The inverse solution was obtained using experimental cooling curves available in the literature for a centrifugally cast-iron pipe. The inverse solution showed, for the first time, that the behavior with time of the heat transfer coefficient at the metal-mold interface is analogous to that observed in traditional static casting processes: an initial relatively large value decreases exponentially with time. A mathematical model for the heat transfer at the metal-mold interface based on fundamental heat transfer principles was proposed. In this model, the heat conduction and radiation in the gap formed at the metal-mold interface, as well as the thermal and plastic deformation of the solid shell, were taken into account. This model, applied to predict the solidification of a cast-iron tube in the centrifugal casting process, enabled the calculation of cooling curves that are in excellent agreement with experimentally measured curves.