Entende-se por solidificação como sendo um processo de extração de calor em regime transitório, com mudança de fase, no qual uma certa quantidade de energia térmica deve ser transferida da fase líquida para o meio ambiente para possibilitar a nucleação e o crescimento da fase sólida. A análise da transferência de calor durante o processo de solidificação tem, como um dos objetivos, a determinação da cinética da transformação de fase, o que é de suma importância para a determinação e análise das propriedades do produto final. A análise matemática da solidificação de metais assume níveis de complexidade que fazem com que as equações apresentem condições de contorno não lineares, tornando difícil a obtenção de soluções analíticas exatas e totalmente gerais, dificuldade que se acentua à medida que a geometria do molde assume formas mais complexas. Ainda assim, problemas unidimensionais de transferência de calor na solidificação podem ser resolvidos pelo método analítico.

Considerando o exposto, este trabalho apresenta um estudo comparativo dos tempos e velocidades de solidificação de metais em moldes com geometria unidirecional plana, cilíndrica e esférica, refrigerados, com diferentes temperaturas de vazamento, objetivando analisar a influência da geometria do molde e do superaquecimento sobre os parâmetros envolvidos no processo de solidificação, considerando que estes assumem particular importância para o controle da estrutura final do produto obtido.

Garcia e Prates propuseram um modelo analítico exato para o estudo da solidificação de metais puros e ligas eutéticas em sistemas metal/molde refrigerados com geometria plana, que descreve os tempos e as velocidades de solidificação em função do parâmetro Vs/Ai. Tal modelo encontra-se em literatura recente [Garcia, 2001].

A partir de simplificações de caráter físico feitas pelos autores, pôde-se utilizar a equação de Fourier [Garcia, 2001], para condução unidimensional de calor em regime transitório, caso a transferência newtoniana na interface metal/molde não proporcione uma descontinuidade no perfil de temperaturas. Para contornar esse fenômeno, Garcia e Prates [Garcia, 2001].admitiram como hipótese adicional uma resistência newtoniana como equivalente a duas parcelas de resistências térmicas virtuais. Para se estudar a cinética de solidificação de metais em moldes cilíndricos e esféricos, adotou-se uma mudança conveniente de variáveis e a introdução de fatores geométricos de correção às equações representativas de modelos analíticos para solidificação em moldes com geometria plana.

Utilizando-se tais modelos matemáticos, são obtidos valores para os tempos e velocidades de solidificação em função do parâmetro Vs/Ai para o alumínio e as ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al submetidos a superaquecimentos correspondentes a 0% e 20% acima da temperatura de fusão dos referidos materiais, os quais são bastante utilizados na prática de fundição.

Conforme observado nos resultados, tem-se que para as três geometrias o aumento da temperatura de vazamento influencia diretamente os tempos de solidificação, sendo essa diferença maior para o alumínio, devido às suas propriedades termofísicas. Para o caso das velocidades de solidificação, nota-se que para as geometrias cilíndricas e esféricas, estas são elevadas no início do processo, diminuindo no decorrer deste e aumentando em seguida, tendendo para um valor infinito, devido à maior eficiência da extração de calor no final desse processo, diferentemente dos resultados obtidos em moldes com geometria unidirecional.

Realizando-se outra análise, observa-se que os tempos de solidificação são maiores para a geometria plana e menores para a esférica, em todos os graus de superaquecimento analisados, sendo que este tempo para moldes com geometria plana é o triplo do obtido em geometrias esféricas e o dobro do obtido em geometrias cilíndricas. Quanto às velocidades de solidificação, adotando-se como momento da comparação o fim da solidificação dos moldes com geometria esférica, nota-se que as velocidades são maiores para essa geometria e menores para os moldes com geometria plana.