RESISTÊNCIA MECÂNICA DE LIGAS FUNDIDAS Pb-Ag PARA CONSTRUÇÃO DE BATERIAS ÁCIDO-CHUMBO

Lucas R. Moreno2, Leandro C. Peixoto1, Wislei R. Osório2,1

1 State University of Campinas, FEM - UNICAMP, Campinas, SP, Brazil 2 State University of Campinas, FCA - UNICAMP, Limeira, SP, Brazil

Palavras-chave: Baterias Ácido-Chumbo – Microestrutura Dendrítica – Máxima Tensão de Ruptura – Sistema de Solidificação Polidirecional – Resistência Mecânica – Ligas Pb-Ag 1. Introdução

Para o preparo, fez-se uso dos materiais Pb e Ag em seu estado puro e os procedimentos utilizados pelo aluno podem ser divididos nas etapas de corte, pesagem e preparação da liga em forno. No experimento, um molde permanente de aço com baixo teor de carbono foi utilizado para obter as microestruturas dendríticas. Esse tipo de dispositivo promove a retirada de calor não apenas pela base, mas igualmente por todas as regiões da liga que esta sendo fundida. Dessa forma, quanto a macroestrutura, ele promove o crescimento principalmente de grãos equiaxiais. Para a obtenção dos dois parâmetros escolhidos, resfriamento rápido e lento, os experimentos foram realizados aquecendo-se o molde e deixando-o em temperatura ambiente, permitindo assim as diferentes taxas de resfriamento. As amostras solidificadas foram seccionados, polidas e atacadas quimicamente com uma solução para revelar a macroestrutura (Fig. 1). As medidas dos parâmetros microestruturais foram realizadas em microscópio óptico (Neophot32) e software Leica Quantimet 500 MC. O método do triangulo foi utilizado para as medidas dos espaçamentos dendríticos. A partir dos lingotes obtidos pelo dispositivo de solidificação já apresentado, retirou-se corpos-de-prova para realização dos testes de tração. A figura 1 mostra uma representação esquemática dos corpos-de-prova retirados para os testes de tração. Tais corpos-de-prova foram preparados de acordo com as especificações da ASTM Standard E8M/04 e testado em um equipamento MTS Test Star II. A fim de garantir a confiabilidade dos resultados dos testes de tração, foram testados três corpos-de-prova para cada uma das duas taxas de resfriamento. O elongamento e a máxima tensão de ruptura foram determinados para os corpos-de-prova oriundos de ambas as taxas de resfriamento. 50 mm

50 mm

2. Procedimento Experimental

3. Resultados e Discussão

4. Conclusão

A reta mostrada na fig. 2, traçada utilizando os dados experimentais, pode incoporar modelos expressando o espaçamento interdendrítico como uma função das variáveis termicas de solidificação, permitindo expressar correlações entre as propriedades mecânicas com as condições de solidificação a serem estabelecidas. A microestrutura resultante correspondente as amostras submetidas as taxas de resfriamento lenta e rápida estão mostradas na fig.3. Foi concluído que um arranjo dendritico mais refinado apresenta um melhor comportamento mecânico que um arranjo mais grosseiro. Esse parâmetro evidencia que arranjos dendriticos refinados tendem a melhorar a resistência mecânica para a liga Pb-Ag, 1% em peso de Ag, principalmente pois o soluto segregado (prata) conduz à formação de misturas eutéticas na região interdendritica, que, juntamente com o contorno dendrítico constitui barreiras eficazes ao deslocamento e formação de discordâncias. Na figura 4 estão apresentadas as curvas de tensão-deformação resultantes dos testes de tração realizados. Os resultados quantitativos para o limite de resistência a tração e alongamento podem ser vistos na tabela 1.

Fig. 1. Típica macroestrutura polidirecional equiaxial da liga Pb-Ag utilizada (a) e detail evidenciando a formação dos grãos equiaxiais (b). E esquema ilustrativo da localização dos corpos-de-prova para ensaio

de tração (c).

(i) Constatou-se que a solidificação da liga Pb-1%Ag utilizando-se um sistema de extração de calor polidirecional dá origem a grãos equiaxiais associados com uma morfologia microestrutural dendrítica, independente da velocidade de resfriamento. (ii) A maxima tensão de ruptura aumenta com a diminuição do espaçamento dendrítico para a liga Pb-Ag, 1% em peso de Ag, ficando na faixa de 10 MPa, para a liga resfriada lentamente, e de 18 MPa, para a liga resfriada rapidamente. Quanto ao alongamento específico, observam-se valores em torno de 49% para ambas taxas de resfriamento. (iii) A pré-programação das variáveis do processo de solidificação podem representar uma ótima alternativa para a produção de grades de baterias com melhores propriedades mecânicas, a partir de ligas fundidas Pb-Ag.

Fig. 2. - Resultados experimentais dos espaçamentos interdendríticos em função da taxa de resfriamento para a liga.

Fig. 4. Curvas experimentais de tensão-deformação para a liga Pb-1,0%Ag, obtidas de corpos-de-prova retirados das amostras submetidas a lento (a) e rápido (b) resfriamento.

Durante as duas últimas décadas, as grades de baterias vem sofrendo modificações em seu processo de fabricação, por parte de seus produtores, e nas composições químicas de suas ligas, visando a redução do peso final, dos custos de produção e o aumento do ciclo de vida útil e resistência mecânica e a corrosão .Foi relatado que ligas Pb-Ag podem ser alternativas interessantes para a produção de grades de bateria ácido-chumbo. Considerando a resistência das grades, é conhecido que elas são altamente dependentes do conteúdo das ligas. O efeito da microesturura na propriedade das ligas mecânicas foi destacado em vários estudos e particularmente, a influência dos espaçamentos dendríticos e celulares sobre as propriedades mecânicas, ou seja, máxima tensão de ruptura e limite de resistência. Embora os aspectos metalúrgicos e da microestrutura tenham grande destaque, é bem conhecido que as variáveis dos processos de solidificação exercem um papel de extrema importância. Portanto, as ligas constituintes dos componentes das baterias chumbo-ácido apresentam características mecânicas que dependem de aspectos descritos na macroestrutura e na microestrutura resultantes e o processo de solidificação e as características do material a ser solidificado interferem, diretamente, na formação dessa estrutura, determinando as propriedades do produto final.

 5mm   5mm

50mm

a)

b)

c)

Tabela 1. Valores de limite de resistência à tração e alongamento específico em função do resfriamento para as liga Pb-1,0%Ag.

b) a) 3 Fig. 3. Imagens obtidas durante análise microscópica de amostras da liga Pb-Ag, 1% em peso de Ag, que foram submetidas a diferentes taxas de resfriamento. (a) resfriamento lento (b) resfriamento rápido.

a)

b)