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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 03 – Contração e Alimentação de Peças Fundidas Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Contrações durante a obtenção de uma peça fundida: 1. Introdução - Contrações que ocorrem durante o resfriamento de peças fundidas - Conceito de massalote. - Funções de um massalote. Desde a temperatura Contração no Estado Líquido ⇒ de vazamento até a de início da solidificação 2. Massalotes - Tipos de massalotes. - Mecanismos de formação de rechupes. - Requisitos de um massalote. Contração na Solidificação ⇒ Do início até o final da solidificação 3. Projeto de Massalotes - Requisito Térmico – Módulo de Resfriamento - Requisito Volumétrico – Volume do Rechupe – Coeficiente de Contração Volumétrica - Casos Particulares – ferros fundidos cinzentos, vermiculares e nodulares. 4. Roteiro para o Projeto de Massalotes. Contração no Estado Sólido Compensadas pelo uso de Massalotes ⇒ Do final da solidificação até a temperatura ambiente Compensada na Fabricação dos Ferramentais - Seqüência de procedimentos para dimensionamento, determinação da quantidade e da localização de massalotes em moldes de areia e coquilhas. 1 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran (a) Metal Líquido Inicial Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. (b) Formação de uma ¨casca (c) Contração interna. sólida¨ e do vazio de contração (d) Contração interna + contração externa Representação esquemática da contração de aço baixo carbono, mostrando a contribuição dos três diferentes estágios da solidificação: contração no líquido, contração na solidificação e contração no sólido. (e) Vazio na superfície Representação esquemática da contração de um ¨cubo¨ de ferro fundido 2 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. MASSALOTES Massalotes ou Montantes são “reservatórios de metal líquido” que constituem os sistemas de canais de alimentação de peças fundidas Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Função dos Massalotes: compensar as contrações no estado líquido e de solidificação de metais e suas ligas garantindo assim a sanidade das peças obtidas. Rechupe Massalote Massalote Parte da peça fundida alimentada pelo massalote Peça 3 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Massalote (alimentador) ¨Riser¨ Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Grau de Sanidade Solidificação Progressiva Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. ⇒ Parâmetro fundamental no dimensionamento e na localização dos massalotes O projeto de um massalote visa basicamente: • Obter uma alimentação eficiente Solidificação Direcional Solidificação direcional e progressiva numa peça com massalote Peças com ⇒ sanidade interna • Obter o máximo rendimento metálico ⇒ Economia no processo • Facilitar a operação de limpeza da peça ⇒ ↑ Produtividade 4 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Contrações na solidificação de um Metal Puro ∆V ⇒ Modelo de Solidificação Progressiva Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Ligas que solidificam com temperatura constante Superaquecimento Metal Sólido Vi Líquido Vo Sólido Vs INTERFACE PLANA • METAIS PUROS • COMPOSIÇÃO EUTÉTICA Ts T (decrescente) Característica de um Metal Puro ⇒ Solidificação a uma temperatura constante Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro 5 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Contrações na solidificação de uma Liga com Intervalo de Solidificação Superaquecimento Metal Pastoso Metal Sólido ⇒ Modelo de Solidificação Extensiva Líquido Semi-Sólido ∆V Vi Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Ligas com pequeno intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA Sólido Vc • AÇOS Vf • FERROS FUNDIDOS • LATÕES T (decrescente) Característica de uma Liga ⇒ Solidificação em uma faixa de temperaturas Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com pequeno intervalo de solidificação. 6 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Ligas com grande intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA • LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com intervalo de solidificação médio • BRONZES Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com grande intervalo de solidificação. 7 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Tabela I: Valores de Contração Volumétrica de Solidificação para alguns metais e ligas. MATERIAL Aço carbono Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Tabela II: Valores de Contrações Linear, Superficial e Volumétrica na Solidificação para alguns metais e ligas. CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO CONTRAÇÃO (%) 2,5 – 3,5 Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. METAIS LINEAR SUPERFICIAL CÚBICA Alumínio 6,5 AÇO 0,018= 1/55 0,036= 1/28 0,054= 1/18 Cobre 5,0 FERRO FUNDIDO 0,010= 1/100 0,020 1/50 0,030= 1/33 ALUMÍNIO 0,018= 1/55 0,036= 1/28 0,054= 1/18 CHUMBO 0,011= 1/90 0,022= 1/45 0,033= 1/30 Ferro fundido branco Ferro fundido cinzento 4,0 – 5,5 0 – 2,0 8 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Influência do modo de solidificação na alimentação de peças fundidas Massalote Peça Macro rechupe em ponto quente Metal com Sanidade Liga com pequeno intervalo de solidificação Liga com grande intervalo de solidificação Rechupes na linha central Formas de rechupes em peças fundidas para ligas que solidificam de forma progressiva 9 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Classificação das principais ligas quanto ao modelo de solidificação Macro Rechupes Dispersos no Massalote e nas suas proximidades Massalote • Ligas que solidificam com temperatura constante Macro Rechupes Dispersos num Ponto Quente Peça Micro Rechupes dispersos, normalmente em camadas • Ligas com pequeno intervalo de solidificação • COMPOSIÇÃO EUTÉTICA • METAIS PUROS • AÇOS • FERROS FUNDIDOS FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA • LATÕES • Ligas com grande intervalo de solidificação • LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS • BRONZES Formas de rechupes em peças fundidas em areia para ligas com grande intervalo de solidificação. INTERFACE PLANA • Ligas com expansão volumétrica em algum estágio da solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA • FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES 10 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Consequências dos diferentes modelos de solidificação na prática de alimentação. FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA ⇒ ⇒ Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. TIPOS DE MASSALOTES • Necessidade de promover solidificação direcionada na própria peça e do (s) ponto (s) quente(s) para o massalote • Maior facilidade de alimentação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aberto – De topo Cego – De topo • Baixa temperatura de vazamento • Uso de Resfriadores • Ataques nas partes finas Aberto – Lateral Cego – Lateral 11 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Condições para um bom funcionamento do massalote: Mecanismo de Formação de Rechupes 1. O massalote deve ser localizado junto a parte da peça que solidifica por último. • Qual(is) é(são) a (s) parte(s) da peça que solidifica(m) por último? ⇓ Método de Heuvers (Círculos Inscritos) • Qual a Zona de Ação do massalote? Evolução da solidificação de parte de uma peça, mostrando com se forma um rechupe. Zona de Ação: distância ao longo da peça, na qual o massalote é efetivo ⇒ Distância de Alimentação 12 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Zona de Ação ou Distância de Alimentação Plaqueta Exotérmica Rechupe Resfriador Distância Máxima Contribuição do massalote Placa Exotérmica Formação de Rechupe na Região C ⇓ ↑ Tempo de Solidificação Resfriador ⇓ Efeito Ponta Distância máxima de alimentação em placas de aço. ↓ Tempo de Solidificação 13 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Zona de Ação ou Distância de Alimentação Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Zona de Ação ou Distância de Alimentação Comprimento maior que a máxima distância de alimentação do massalote Isento Variável Rechupes na linha de centro Distância de alimentação adicional devido ao uso de um resfriador (Ex.: aço em molde de areia) Quando a distância máxima de alimentação é excedida ocorre a formação de rechupes na região indicada no desenho 14 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. 2. O massalote deve solidificar após a parte da peça que deve ser alimentada. Módulo de Resfriamento M = V/S V= volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada) S = superfície da peça que sofre resfriamento através das paredes do molde Regra de Chvorinov Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. 3. O massalote deve conter quantidade suficiente de metal líquido. Volume massalote > Volume do rechupe em formação na peça 4. O massalote deve atuar com pressão máxima durante o tempo de solidificação ts = k M2 ts = tempo de solidificação (s) K = constante que depende dos materiais do molde e da peça, e da temperatura de vazamento 5. O Massalote deve ter o peso mínimo em relação ao peso da peça 15 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Valores de K para algumas condições práticas: Projetos de Massalotes Requisito ⇒ Térmico O massalote deve apresentar um módulo de resfriamento maior que o da peça MM = K . MP MM = Módulo do Massalote MP = Módulo da Peça Liga Molde Tipo de Massalote K crítico FoFo Cinzento CE 4,2 P <0,2 Areia Verde De Topo (2) Lateral (1) De Topo (1) 0,30 0,88 1,00 FoFo Cinzento CE 4,2 P <0,6 Areia Verde De Topo (1) e (2) 1,09 FoFo Cinzento Rígido De Topo (1) 0,60 Areia Verde De Topo (1) 1,29 Areia Estufada De Topo (1) 1,16 Aço Baixo C K = Coeficiente de Segurança Aço Inox 18-8 A.Verde/Estufada De Topo (1) 1,15 Obs. : (1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura Variável 16 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Valores de K para algumas condições práticas: Liga Molde Tipo de Massalote De Topo (1) Bronze Al Areia Verde Bronze Mn Areia Verde De Topo (1) ou (2) K crítico 1,12 1,14 Monel Areia Seca De Topo 1,15 Ligas de Al Areia Verde De Topo 1,25 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Projetos de Massalotes O volume do massalote deve ser maior ou Requisito ⇒ igual ao volume de metal a ser fornecido para compensação da contração durante a Volumétrico solidificação. Equação Básica ⇒ VM = VP . b / η - b b = Coeficiente de contração volumétrica VP = Volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada) Liga Al12Si Areia Verde De Topo 1,20 Obs. : (1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura Variável η = Rendimento do massalote Caso Geral ⇒ η = 14% 17 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Valores de b para diversas ligas metálicas: Liga Superaquecimento 500C Superaquecimento 1500C Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Dimensionamento pelo Sistema Francês Equação Básica ⇒ VM ≥ k’ . b . Vc Bronze 0,04 0,045 Latão Comum 0,06 0,065 Latão Especial 0,07 0,075 Ligas de Mg 0,045-0,05 0,05-0,06 Al Si (10-13) 0,045 0,05 Al Si (05-10) 0,065-0,075 0,07-0,08 dS = densidade no estado sólido Massalote Comum 6 Al Cu (04-08) 0,065-0,075 0,07-0,08 dL = densidade no estado líquido Aquecido p/Ataque 5 Al Mg (03-06) 0,08 0,085-0,09 Aço C 0,8 0,06 0,07 Aço C 0,3 0,05 0,06 Coberto c/ Exotérmico FoFo em Molde Rígido C/ Luva Exotérmica 4 3 2 b = Coeficiente de Contração Volumétrica Depende das condições de k’ = Coeficiente de Segurança ⇒ funcionamento do Massalote VC = VP . dS / dL Caso Geral : dS / dL = 1,14 FoFos : dS / dL = 1,06 Tipo de Massalote k’ 18 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Dimensionamento do Pescoço (Ligação Peça – Massalote) Caso Geral: o pescoço deve apresentar um tempo de solidificação intermediário entre o da peça e do massalote. Segundo Vlodaver : MP : MPESC : MM = 1 : 1,1 : 1,2 Caso Particular (Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares) : se usa a expansão da grafita como compensação da contração, os massalotes só devem alimentar as contrações de solidificação da fase próeutética, devendo o pescoço solidificar antes do início da reação eutética, evitando assim o fenômeno de refluxo. MP : MPESC : MM = 1 : 0,8:1,05 -1,1 Massalotes laterais Regras Gerais para Design de Pescoços para Massolotes Massalote lateral para peça tipo ¨placa¨. Massalotes de Topo 19 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Projetos de Massalotes Roteiro para Cálculo de Massalotes 1. Determinação do Módulo(ou dos módulos parciais) da Peça a. Cálculo dos Módulos Parciais b. Estabelecimento da Ordem de Solidificação na Peça c. Determinação dos Pontos Quentes Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Projetos de Massalotes 3. Determinação do Número de Massalotes Uso da Regra da Zona de Ação ou Distância de Alimentação - Tipo de metal ou liga - Modelo de solidificação - Geometria da peça 2. Definição das Partes da Peça a serem Alimentadas Valores Tabelados - Grau de superaquecimento - Uso de resfriadores 20 Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Projetos de Massalotes Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Prof. Dr. Guilherme Verran Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Projetos de Massalotes 4. Dimensionamento do Massalote 5 . Dimensionamento do Pescoço do Massalote. 4.1 Requisito Térmico Módulo do Massalote MM = K . MP Escolher a condição mais crítica. 4.2 Requisito Volumétrico Volume do Massalote VM > Vrechupe Determinar as dimensões do massalote que satisfaz esta condição. 6 . Distribuição dos massalotes ao longo da peça (esquema) 7 . Cálculo do Rendimento Metalúrgico. 21