Quando o metal líquido é vazado na lingoteira, uma complexa interação envolvendo o escoamento do metal, transferência de calor metal/molde, nucleador de grão e crescimento dendrítico, ocorre na superfície do lingote. Esses fatores contribuem para a formação de uma
camada de pequenos grãos dispersos próximo a interface metal/molde denominada de zona coquilhada. Quando o metal é vazado com um alto grau de superaquecimento no molde resfriado, somente uma camada fina em contato com molde atinge a temperatura de nucleação formando uma pequena zona coquilhada. Entretanto, com o vazamento do líquido próximo da temperatura de transformação, a zona coquilhada é relativamente maior. Porém, essa zona poderá ser imperceptível ou inexistente, se o molde sofrer pré-aquecimento antes do vazamento ou se houver superaquecimento excessivo a ponto de provocar a refusão de grande parte dos cristais nucleados (GARCIA, 2001).
O superquecimento no vazamento, o teor de soluto da liga e a temperatura do molde são variáveis, que influenciam o comprimento da zona colunar. Assim, maior temperatura de vazamento e do molde, e menor teor de soluto na liga aumentam o comprimento da zona colunar (GARCIA, 2001).
Neste contexto, o molde, por sua vez, além de conferir forma à peça, atuará como o absorvedor de calor responsável pela extração de calor do metal em solidificação, garantindo a transformação da fase líquida em sólido. A capacidade de absorção de calor pelo molde desenvolver-se-á com maior ou menor rapidez influenciando diretamente nas taxas de resfriamento da peça. Dessa forma, microestruturas refinadas são formadas devido às altas taxas de resfriamento (GARCIA, 2001).
A estrutura resultante da solidificação de um modo geral pode ser discutida a partir das macroestruturas observadas em lingotes com mostra a Figura 3.28 (a). A representação da macroestrutura do lingote é normalmente representada por três regiões distintas (CAMPOS FILHO; JOHN DAVIES, 1978, GARCIA, 2001):
a. Zona coquilhada, formada por uma camada periférica de pequenos grãos (cristais) equiaxiais, isto é, com orientação cristalográfica aleatória. A formação desta estrutura depende de uma série de fatores tais como propriedades termofísicas do material do molde, coeficiente de transferência de calor metal/molde e temperatura de vazamento do metal líquido.
b. Zona colunar, formada por grãos alongados que se alinham paralelamente à direção do fluxo de calor. Os grãos colunares crescem a partir de grãos coquilhados por meio de crescimento seletivo e preferencial.
c. Zona equiaxial central, formada por grãos equiaxiais de orientação cristalográfica aleatória. Os grãos equiaxial crescem a partir das dendritas colunares quando o líquido da região central do lingote torna-se superresfriado basicamente por efeito térmico. A partir desta etapa, surge uma zona de transição, que se forma à medida que esses grãos (equaxial) são suficientes em tamanho e número para impedir o avanço da frente colunar
A termodinâmica do processo irá impor uma rejeição de soluto ou de solvente, de acordo com o coeficiente de redistribuição de soluto, que dependerá da posição relativa da liga no respectivo diagrama de fases e que terá como conseqüência, um movimento de soluto ou solvente associado à transferência de calor (GARCIA, 2001).
Essa conjunção de transferência de massa e calor no resfriamento irá impor condições que determinarão a morfologia de crescimento juntamente com a pressão aplicada, e conseqüentemente o arranjo microestrutural na fabricação de tiras fundidas, Figura 3.28 (b). Essa microestrutura resultante associada à distribuição de defeitos e heterogeneidades químicas é que definirá o perfil de características mecânicas e químicas do produto tixoconformado (FERRY, 2006).
Da mesma forma que ocorre nos lingotes, a condição do fluxo de calor no processo por cilindros duplos (twin roll) favorece a formação da zona colunar na camada de solidificação da tira fundida. A transferência de calor inicia-se na superfície de cada rolo e uma camada de solidificação é produzida na interface metal/rolos como pode se observar na Figura 3.28. O crescimento dendrítico é completado no roll-kiss point como anteriormente descrito (HAGA; SUZUKI, 2003c).
(a) (b) Figura 3.28. Ilustração esquemática das diferentes zonas macroestruturais no lingote (a) e
durante a fabricação de tiras metálicas fundidas (b) (TRIVEDI, 1978, XU, 2006, FERRY, 2006).
Existem na literatura diversos estudos para explicar o efeito do fluxo de fluído no crescimento dendrítico (TAKATANI; GANDIN; RAPPAZ, 2000, FAN, 2002).
A macroestrutura resultante do processo de fundição metal/molde foi observada por Takatani et al. (2000) no crescimento de grãos dendríticos em presença de fluxo de fluído. A tira que havia solidificado no processo por cilndros duplos (twin roll) foi analisada através da técnica Electron Backscattered Difraction (EBSD). O autor mostra que os grãos têm orientação cristalográfica aleatória na face da tira em contato com o molde. No meio da tira, os grãos que sobreviveram através do mecanismo seletivo, cresceram exibindo uma textura média dendrítica cuja orientação é levemente inclinada com relação ao gradiente térmico, Figura 3.29.
Figura 3.29. Esquema dos rolos do laminador mostrando o processo de crescimento da dendrita no fluxo de fluído (TAKATANI; GANDIN; RAPPAZ, 2000).
O efeito do fluxo de fluido na estrutura colunar dendrítico, segundo Takatani et. al (2000) pode ser entendida pelos seguintes fatores: (a) a direção do crescimento dendrítico é inclinado, indicando o sentido da passagem do fluxo. Como foi demonstrado por Okamoto et. al. (1975), o crescimento dendrítico é perfeitamente alinhado com o gradiente térmico, entretanto, o fluxo de fluído provoca a inclinação, considerando que a convecção forçada é perpendicular ao gradiente térmico e (b) a cinética de crescimento da dendrita é em função da direção do fluxo. Para um dado super-resfriamento, as dendritas que cresceram contra o fluxo foram afinadas ou então rompidas, enquanto que as dendritas que cresceram a favor do fluxo cresceram rapidamente com a passagem do fluxo (GLICKSMAN et al., 1988).
Esaka et. al., (1996) estudam o crescimento dos grãos dendríticos do aço carbono usando uma placa resfriada inclinada e analisam o campo da difusão de soluto em volta da dendrita fazendo uma analise bidimensional no escoamento do fluido. Ele mostra que o alto gradiente de soluto (isto é concentração na camada limite de soluto) ocorre no lado da
dendrita oposto a corrente e responsável pelo desvio da direção preferencial do crescimento dendrítico do gradiente térmico.