Aula 03- Contração e Alimentação de Peças Fundidas

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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 1. Introdução - Contrações que ocorrem durante o resfriamento de peças fundidas - Conceito de massalote. - Funções de um massalote. 2. Massalotes - Tipos de massalotes. - Mecanismos de formação de rechupes. - Requisitos de um massalote. 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 . - Seqüência de procedimentos para dimensionamento, determinação da quantidade e da localização de massalotes em moldes de areia e coquilhas. Contrações durante a obtenção de uma peça fundida: Contração no Estado Líquido Contração na Solidificação Contração no Estado Sólido Desde a temperatura de vazamento até a de início da solidificação Do início até o final da solidificação Do final da solidificação até a temperatura ambiente Compensadas pelo uso de Massalotes Compensada na Fabricação dos Ferramentais Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

Aula 03 – Contração e Alimentação de Peças Fundidas

1. Introdução- Contrações que ocorrem durante o resfriamento de peças fundidas

- Conceito de massalote.

- Funções de um massalote.

2. Massalotes

- Tipos de massalotes.- Mecanismos de formação de rechupes.- Requisitos de um massalote.

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.

- Seqüência de procedimentos para dimensionamento, determinação da quantidade e da localização de massalotes em moldes de areia e coquilhas.

Contrações durante a obtenção de uma peça fundida:

Contração no Estado Líquido

Contração na Solidificação

Contração no Estado Sólido

⇒Desde a temperatura

de vazamento até a de início da solidificação

⇒ Do início até o final da solidificação

Do final da solidificação até

a temperatura ambiente

Compensadas pelo uso de Massalotes

Compensada na Fabricação

dos Ferramentais

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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.

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Representação esquemática da contração de um ¨cubo¨ de ferro fundido

(a) Metal Líquido Inicial (b) Formação de uma ¨casca sólida¨ e do vazio de contração

(c) Contração interna.

(d) Contração interna + contração externa

(e) Vazio na superfície

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MASSALOTES

Massalotes ou Montantes são “reservatóriosde metal líquido” que constituem ossistemas de canais de alimentação depeças fundidas

Massalote

Parte da peça fundida alimentada pelo massalote

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Função dos Massalotes: compensar as contrações no estado líquido e de solidificação de metais e suas ligas garantindo assim a sanidade das peças obtidas.

Massalote

Rechupe

Peça

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Solidificação Direcional

Solidificação ProgressivaMassalote (alimentador)

¨Riser¨

Solidificação direcional e progressiva numa peça com massalote

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Grau de Sanidade ⇒Parâmetro fundamental no

dimensionamento e na localização dos massalotes

O projeto de um massalote visa basicamente:

• Obter uma alimentação eficiente ⇒Peças com

sanidade interna

• Obter o máximo rendimento metálico ⇒ Economia no processo

• Facilitar a operação de limpeza da peça

⇒ ↑ Produtividade

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Líquido

Sólido

Vs

T (decrescente)

∆V

Vi

Superaquecimento Metal Sólido

Vo

Ts

Contrações na solidificação de um Metal Puro

Modelo de Solidificação Progressiva

Característica de um Metal Puro

⇒ Solidificação a uma temperatura constante

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Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro

INTERFACE PLANA

• COMPOSIÇÃO EUTÉTICA

• METAIS PUROS

Ligas que solidificam com temperatura constante

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Contrações na solidificação de uma Liga com Intervalo de

Solidificação

Modelo de Solidificação Extensiva

Característica de uma Liga ⇒ Solidificação em uma

faixa de temperaturas

Líquido

Sólido

Semi-Sólido

Vf

T (decrescente)

∆V

Vi

Superaquecimento Metal Sólido

Vc

Metal Pastoso

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Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com pequeno intervalo de solidificação.

Ligas com pequeno intervalo de solidificação

• AÇOS• FERROS FUNDIDOS

• LATÕES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA

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Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com grande intervalo de solidificação.

Ligas com grande intervalo de solidificação

• LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS

• BRONZES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA

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Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com intervalo de solidificação médio

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Tabela I: Valores de Contração Volumétrica de Solidificaçãopara alguns metais e ligas.

MATERIAL CONTRAÇÃO (%)

Aço carbono 2,5 – 3,5

Alumínio 6,5

Cobre 5,0

Ferro fundido branco 4,0 – 5,5

Ferro fundido cinzento 0 – 2,0

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CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO

METAIS LINEAR SUPERFICIAL CÚBICA

AÇO 0,018= 1/55 0,036= 1/28 0,054= 1/18

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

Tabela II: Valores de Contrações Linear, Superficial e Volumétrica na Solidificação para alguns metais e ligas.

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Liga com pequeno intervalo de solidificação

Liga com grande intervalo de solidificação

Influência do modo de solidificação na alimentação de peças fundidas

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Formas de rechupes em peças fundidas para ligas que solidificam de forma progressiva

Rechupes na linha central

Macro rechupe em ponto quente

Metal com Sanidade

Peça

Massalote

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Macro Rechupes Dispersos num Ponto Quente

Macro Rechupes Dispersos no Massalote e nas suas proximidades

Micro Rechupes dispersos, normalmente em camadas

Formas de rechupes em peças fundidas em areia para ligas com grande intervalo de solidificação.

Peça

Massalote

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Classificação das principais ligas quanto ao modelo de solidificação

• Ligas que solidificam com temperatura constante

INTERFACE PLANA

• COMPOSIÇÃO EUTÉTICA• METAIS PUROS

• Ligas com pequeno intervalo de solidificação

• AÇOS• FERROS FUNDIDOS

• LATÕES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO

PLANA

• Ligas com grande intervalo de solidificação

• LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS

• BRONZES

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO

DENDRÍTICA

• Ligas com expansão volumétrica em algum estágio da solidificação

• FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES

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Consequências dos diferentes modelos de solidificação na prática de alimentação.

FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO

PLANA⇒

• 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⇒

• Baixa temperatura de vazamento

• Uso de Resfriadores

• Ataques nas partes finas

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Aberto – De topo Cego – De topo

Cego – LateralAberto – Lateral

TIPOS DE MASSALOTES

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Mecanismo de Formação de Rechupes

Evolução da solidificação de parte de uma peça, mostrando com se forma um rechupe.

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Condições para um bom funcionamento do massalote:

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?

Zona de Ação: distância ao longo da peça, na qual o

massalote é efetivo ⇒ Distância de

Alimentação

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PlaquetaExotérmica

Rechupe Resfriador

Formação de Rechupe na Região C

Placa Exotérmica

⇓↑ Tempo de Solidificação

Resfriador

⇓↓ Tempo de Solidificação

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Zona de Ação ou Distância de Alimentação

Distância Máxima

Efeito PontaContribuição do massalote

Distância máxima de alimentação em placas de aço.

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Zona de Ação ou Distância de Alimentação

Quando a distância máxima de alimentação é excedida ocorre a formação de rechupes na região indicada no desenho

Isento

Rechupes na linha de centroVariável

Comprimento maior que a máxima distância de alimentação do massalote

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Zona de Ação ou Distância de Alimentação

Distância de alimentação adicional devido

ao uso de um resfriador (Ex.: aço em molde de areia)

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2. O massalote deve solidificar após a parte da peça que deve ser alimentada.

Módulo de Resfriamento M = V/S

Regra de Chvorinov ts = k M2

V= volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada)

S = superfície da peça que sofre resfriamento através das paredes do molde

ts = tempo de solidificação (s)

K = constante que depende dos materiais do molde e da peça, e da temperatura de vazamento

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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

5. O Massalote deve ter o peso mínimo em relação ao peso da peça

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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

K = Coeficiente de Segurança

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Valores de K para algumas condições práticas:

Liga Molde Tipo de Massalote K crítico

FoFo CinzentoCE 4,2 P <0,2 Areia Verde

De Topo (2)Lateral (1)De Topo (1)

0,300,881,00

FoFo CinzentoCE 4,2 P <0,6 Areia Verde De Topo (1) e (2) 1,09

FoFo Cinzento Rígido De Topo (1) 0,60

Aço Baixo CAreia Verde

Areia Estufada

De Topo (1)

De Topo (1)

1,29

1,16

Aço Inox 18-8 A.Verde/Estufada De Topo (1) 1,15(1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura VariávelObs. :

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Valores de K para algumas condições práticas:

Liga Molde Tipo de Massalote K crítico

Bronze Al Areia Verde De Topo (1) 1,12

1,14Bronze Mn Areia Verde De Topo (1) ou (2)

Monel De Topo 1,15Areia Seca

(1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura VariávelObs. :

Ligas de Al De Topo 1,25Areia Verde

Liga Al12Si De Topo 1,20Areia Verde

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Projetos de Massalotes

Requisito Volumétrico

O volume do massalote deve ser maior ou igual ao volume de metal a ser fornecido

para compensação da contração durante a solidificação.

VM = VP . b / η - b

VP = Volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada)

b = Coeficiente de contração volumétrica

Equação Básica ⇒

η = Rendimento do massalote ⇒Caso Geral

η = 14%

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Valores de b para diversas ligas metálicas:Liga Superaquecimento 500C Superaquecimento 1500C

Bronze 0,04 0,045

Latão Especial 0,07 0,075Latão Comum 0,06 0,065

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

Al Cu (04-08) 0,065-0,075 0,07-0,08

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

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Dimensionamento pelo Sistema Francês

Equação Básica ⇒ VM ≥ k’ . b . Vc

b = Coeficiente de Contração Volumétrica

k’ = Coeficiente de Segurança ⇒ Depende das condições de funcionamento do Massalote

Tipo de Massalote k’

Massalote Comum

Aquecido p/Ataque

Coberto c/ ExotérmicoFoFo em Molde RígidoC/ Luva Exotérmica

6

5

432

VC = VP . dS / dL

dS = densidade no estado sólido

dL = densidade no estado líquido

Caso Geral : dS / dL = 1,14

FoFos : dS / dL = 1,06

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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 massalotessó devem alimentar as contrações de solidificação da fase pró-eutética, 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

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Massalotes de Topo

Massalote lateral para peça tipo ¨placa¨.

Massalotes laterais

Regras Gerais para Design de Pescoços

para Massolotes

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Projetos de Massalotes

Roteiro para Cálculo de Massalotes

1. Determinação do Módulo(ou dos módulos parciais) da Peça

2. Definição das Partes da Peça a serem Alimentadas

a. Cálculo dos Módulos Parciais

b. Estabelecimento da Ordem de Solidificação na Peça

c. Determinação dos Pontos Quentes

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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

- Grau de superaquecimento

- Uso de resfriadores

Valores Tabelados

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Projetos de Massalotes4. Dimensionamento do Massalote

4.1 Requisito Térmico Módulo do Massalote

MM = K . MP

4.2 Requisito Volumétrico Volume do Massalote

VM > Vrechupe

Escolher a condição mais crítica.

Determinar as dimensões do massalote que satisfaz

esta condição.

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Projetos de Massalotes

5 . Dimensionamento do Pescoço do Massalote.

6 . Distribuição dos massalotes ao longo da peça (esquema)

7 . Cálculo do Rendimento Metalúrgico.

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