CONSUTEC Consultoria e Suporte Técnico em Fundição

SIMEC - Novembro 2011 Silvio Luiz Felisbino

Introdução:

A perfeita alimentação de uma peça fundida exige que o

sistema de alimentação seja projetado e executado de acordo.

A alimentação de uma peça tem por finalidade compensar os efeitos da contração volumétrica total ( Líquido + de solidificação) - Peça sadia

- Isento de “RECHUPE”

- Fácil ?????

- Muitos tentam poucos conseguem.

- Na realidade tentamos retirar uma peça com o menor grau de porosidades admissível.

A alimentação tem por finalidade compensar os efeitos da contração volumétrica total.

Evitar o aparecimento de Rechupes.

Para que tenhamos condições de evitar o aparecimento de rechupes necessitamos adaptar nas peças reservatório de metal líquido que, conforme a solidificação, vão cedendo material para compensar esta falta. (Alimentadores)

Quando trabalhamos com peças com geometria mais complexas, necessitamos tomar outros cuidados também.

RECHUPE:

Defeito de fundição que se apresenta como vazios, com paredes

geralmente rugosas, localizados em regiões da peça que se solidificam

por último, conseqüentes da contração da liga metálica durante o

resfriamento e solidificação.

Podem ser:

Abertos ou Fechado;

Concentrados ou

Dispersos;

Macro ou micro.

ALIMENTAÇÃO Sistema que tem a finalidade de ceder metal líquido à peça no

momento da solidificação.

Visa basicamente:

- Alimentar eficientemente a peça fundida;

- Obter o máximo rendimento metálico;

Deve ser projetado de tal forma que facilite a operação de remoção do massalote da peça.

Composto por:

Massalote:

Bacia do Massalote:

Ataque ou pescoço;

Macho Atmosférico ou

Ponto quente.

Silvio Luiz Felisbino

Forma de solidificação do Sistema de Alimentação

MASSALOTE: Reservatório de metal líquido colocado próximo a seção da

peça que solidificará por último.

Para manter o caminho de alimentação, o massalote deverá ser projetado de modo que o mesmo seja o último a solidificar.

Requisito Volumétrico

e

Requisito Térmico

Pode ser:

Quente ou Frio

Aberto ou Fechado

Para que o massalote cumpra a sua função, deve satisfazer 05 regras básicas:

1- O tempo de solidificação do massalote deve ser superior ao tempo de solidificação da peça ou parte da peça a ser alimentada;

2- Deve estar posicionado sobre o ponto quente da peça;

3- Deve conter volume suficiente de metal líquido para compensar a contração volumétrica da peça;

4- Deve estar sob pressão atmosférica;

5- Dever ter peso mínimo relativo ao peso da peça sem perder a sua eficiência; (economia e facilidade na remoção)

O Massalote pode ser:

Montante Aberto ou fechado;

Lateral aberto ou fechado;

Obs: Massalote lateral possui maior eficiência por poder ter a entrada de metal passando por ele. A Altura do massalote varia com relação ao seu diâmetro. Pode variar de 1 a 2,5 x o diâmetro do massalote. H=p.D

Macho Atmosférico:

Facilita o início do rechupe;

Quando massalote aberto compensa-se com a utilização de

pó exotérmico.

Pode ser construído no massalote ou na luva exotérmica ou

feito com macho de areia.

BACIA DO MASSALOTE:

Utilizada em massalotes laterais para trazer o ponto quente do

massalote para próximo do ataque ou pescoço.

Geralmente utiliza-se o raio do massalote como referencia de

profundidade.

ATAQUE OU PESCOÇO:

Ligação entre o massalote e a peça.

Deve ser dimensionado para que solidifique no momento correto

conforme a liga.

Cada liga possui particularidades na solidificação que devem ser

levado em consideração quando do dimensionamento.

Ferro Fundido Aço

O seu desenho é muito importante;

- Longo tem o risco de haver uma solidificação prematura;

- Estrangulado e muito curto tem o risco de haver um sobre aquecimento localizado provocando rechupe.

Um bom desenho deve seguir algumas recomendações:

L

No caso de massalotes laterais, além de um bom desenho do pescoço, é necessário um bom desenho do corpo do massalote para garantir sua eficiência.

Saída de Gás/Ar

Deve ser dimensionado para que solidifique no momento correto conforme

a liga.

Cada liga possui particularidades na solidificação que devem ser levado

em consideração quando do dimensionamento

MATERIAIS EXOTÉRMICOS E ISOLANTES

Exotérmico:

Em contato com o metal líquido gera uma reação exotérmica que libera grande quantidade de calor.

O calor reaquece o massalote diminuindo a difusão térmica.

Isolantes:

Material com difusividade térmica menor,

Espessura do revestimento = 0,10 a 0,20 x o diâmetro do massalote

Outros indicam: Qdte pó = 48,82 x Ø d3 ( diâmetro do massalote)

Módulo exotérmico pode ser calculado:

Mex = 1,2 x M peça = 0,83 x M peça

1,45

Miso = 1,2 x Mpeça = Mpeça

1,2

RESFRIADORES

Função de acelerar, localmente, o resfriamento e solidificação do metal. Direcionar a solidificação.

Classificam-se em:

-Metálicos:

Internos e

Externos:

-Materiais granulados

moldáveis;

-Aletas resfriadoras.

Os materiais normalmente usados são Aço, Ferro Fundido, Cobre e

Alumínio.

Resfriadores externos devem possuir a mesma forma das paredes que substituem no molde

Para resfriadores com grande superfície

deve-se fazer ranhuras. Facilitar a saída

de gases.

Para evitar trincas, pode-se fazer o

resfriador com espessuras crescente.

Quando a superfície de contato com o resfriador for grande, recomenda-se utilizar vários resfriadores.

Área da face de contato > 150 cm2 , comprimento < 200 mm.

Onde que recomenda-se:

d>10 mm ou

d= r/2

Procedimento para Determinar o Tamanho do Resfriador

1- Calcular os Módulos das Seções da Peça;

M = V S

2- Para que a Solidificação da peça seja direcionada, a fim de que o massalote posto na seção “A”, possa alimentar toda a peça, deverá se fazer com que o módulo da seção “C”, fique menor que o módulo da seção “B” aproximadamente 10%.

Procedimento para Determinar o Tamanho do Resfriador

3- Calculo da Espessura do Resfriador

t=34xlogT-30

t = Espessura do Resfriador

T = Espessura da seção a ser Resfriada

Outras formas:

1,33 x Módulo da peça ( ou seção a ser resfriada)

Vresfriador = Vo Mo - Mr

Mo

Onde: Vo = Volume da peça ou seção;

Mo = Módulo da peça ou seção;

Mr = Módulo da peça ou seção desejado com resfriador.

RESFRIADORES INTERNOS

Utilizado quando o uso do externo não é indicado.

Resfriadores internos modificam a estrutura do material criando descontinuidade, que, para algumas peças, é prejudicial, principalmente quando temos usinagem nestes locais.

Podem causar formação de gases

ALETAS RESFRIADORAS

Sendo: e= 0,4Mp, ( 2< e <20 mm) d= 4e (≥ 15 mm)

h= 5e (≥ 15 mm)

Alguns sistemas básicos:

1- Solidificação dirigida para o massalote;

- Ataque no massalote;

- Utilização eventual de resfriadores;

- Enchimento lento por cima;

- Velocidade normal no ataque;

- Escalonamento convergente.

Empregado em:

- Metais que solidificam por camadas finas e contínuas;

- Metais pouco oxidáveis no estado líquido.

Exemplo:

- Aço com C entre 0,1 a 0,3 %

- Fc com Ceq. entre 3,8 a 4,3 %

2 - Solidificação uniforme;

- Utilização eventual de resfriador;

- Utilização de Luva exotérmica;

- Enchimento rápido por cima;

- Escalonamento convergente.

Empregado em:

- Metais com solidificação por camadas

espessas contínuas ou descontínuas;

- Metais pouco oxidáveis no estado líquido.

Exemplo:

- Aço com C > 0,3%;

- Aço com Mn de 11 a 14 %

- Fc com Ceq. < 3,8 e > 4,3%

- Ferro Fundido Branco;

- Ferro fundido Nodular (peças baixas);

- Bronze

3 - Solidificação dirigida ao massalote;

- Ataques no massalote;

- Utilização eventual de resfriadores;

- Enchimento por cima;

- Velocidade reduzida no ataque;

- Escalonamento divergente;

Empregada em:

- Metais com solidificação por camadas finas

contínuas;

- Metais muito oxidáveis no estado líquido.

Exemplo:

- Aço 18 % Cr - 8 % Ni ;

- Aço com 12 a 14 % Cr;

- Alumínio puro;

- Latão 60 - 40, 70 - 30;

- Magnésio puro.

4 - Solidificação uniforme;

- Utilização eventual de Resfriadores;

- Utilização de Luva Exotérmica;

- Velocidade reduzida no ataque;

- Enchimento rápido por baixo com muitos

ataques nas partes finas;

- escalonamento divergente.

Empregado para:

- Metais com solidificação por camadas espessas contínuas e/ou descontínuas;

- Metais muito oxidáveis no estado líquido.

Exemplo:

- Aço com % Cr > 30;

- Ligas de Alumínio ( exceto com 13% Si)

- Ligas de Mg;

Forro fundido Branco ao Cromo.

Porém:

Enchimento:

- Peças com formatos complexos;

- Peças com grande altura;

- Peças com conjunto de machos complexos ou frágeis;

- Peças que necessitam estrutura homogênea.

Metais com solidificação por camadas finas podem ser vazados utilizando-se os sistemas 2 e 4 quando a espessura é pequena e uniforme. Pequenas concentrações podem ser usados resfriadores.

Metais com solidificação por camadas espessas podem ser vazados utilizando-se os sistemas 1 e 3 quando for possível dirigir a solidificação com elevado gradiente de temperatura. Uso de Resfriadores.

Sugestões para mudança da Seqüência de Solidificação Mudança de Forma

Placas isolantes

Resfriadores

Exemplos de Adaptações

ALIMENTAÇÃO

Para obter-se uma peça sadia é necessário que cada frente de solidificação mantivesse contato ininterrupto com uma fonte externa de metal líquido, até toda a sua solidificação.

Tempo de solidificação do massalote = Tempo de solidificação da peça Tm = Tp

Na pratica, por segurança usa-se: Tm > Tp

O objetivo é manter um gradiente térmico positivo em direção a fonte alimentadora.

Existem diversos graus de sanidade aceitáveis conforme aplicação de cada peça fundida. Objetivo é alcançar o melhor grau de sanidade economicamente

viável e tecnicamente aceitável. Ausência de Macro rechupes, Depressões; ( Mais Fácil) Mínima presença de Microporosidades. ( Mais complicado)

ALIMENTAÇÃO

Não existe uma solução matemática geral para definir sistema

de alimentação.

Vários fatores como:

Tipo e morfologia da frente de solidificação;

Direção de solidificação e gradiente de temperatura;

Composição da liga;

Temperatura de vazamento;

Pressão exercida pelo molde;

% da contração total;

Geometria da peça;

Tipo de massalote, posição;

Material do molde;

Distância entre forno e molde;

Canais.........

ALIMENTAÇÃO

A perfeita alimentação de uma peça fundida exige que o sistema de alimentação atenda os requisitos básico:

Deve existir um gradiente de temperatura positivo em direção ao massalote;

REQUISITO TÉRMICO

O volume do massalote deve ser suficiente para compensar todas as contrações;

REQUISITO VOLUMÉTRICO

ALIMENTAÇÃO

No Requisito Térmico, devemos garantir que cada frente de solidificação mantenha contato constante com um alimentador .

Tempo de solidificação

Tmassalote > Tpeça ou parte em estudo

Assim temos:

Tempo de solidificação= C x ( V )2 = C x M2

Onde: A

C= Constante que depende de propriedades térmicas do molde e do metal

V= Volume da peça ou da parte em estudo

A= Área de troca de calor correspondente

M= Módulo de solidificação

M = V Mm = M

S

Mm = k x M ( k= coeficiente de segurança)

LIGA MOLDE MASSALOTE K

FC com CE=4,2% e 0,2%P

0,6%P

Areia verde De topo

Lateral

De topo

De topo

0,30

0,88

1,00

1,09

FC Rígido - 0,60

FE Areia Verde Lateral 0,9

FE Rígido Lateral 0,8

Aço baixo C Areia verde De topo 1,29

Aço inox Areia verde De topo 1,15

Bronze ao alumínio Areia verde De topo 1,12

Bronze ao manganês Areia verde De topo 1,14

Geral - - 1,2

Massalote com luva

exotérmica

- - 0,80 – 0,90

Tabela de valores referenciais de k

Para ligas com solidificação com casca sólida Mm= 1,2 x Mp Para ligas com solidificação pastosa Mm = 0,8 x Mpeça

Ligas Contração (%)

Aço carbono 6,0

Aço ligado 9,0

Aço alta liga 10,0

Al 8,0

AlCu4Ni2Mg 5,3

AlSi12 3,5

AlSi5Cu2Mg 4,2

AlSi9Mg 3,4

AlSi5Cu1 4,9

AlSi5Cu2 5,2

AlCu4 8,8

AlSi10 5,0

AlMg5Si 6,7

AlSi7Cu2Mg 6,5

AlCu5 6,0

AlMg1Si 4,7

Cu 4,0

Latão 6,5

Bronze 7,5

Bronze Al 4,0

Bronze Sn 4,5

Figura Superfície Volume Módulo Obs

Esfera πD2 π D3

6

0,5236 D3

D

6

D=

Diâmetro

Cubo 6a2 a3 a

6

a= Lado

Cilindro πD2 ( Base)

4

πDh

(perímetro)

πD2 x h

4

D

6

D=

Diâmetro

Retângulo A x B

A x C

B x C

A x B x C A x B x C

2(A x B) + 2(A x C) + 2(B x C) A= Base

B= Altura

C= Largura

Algumas fórmulas padrões para figuras conhecidas

No caso do Requisito volumétrico, se pudéssemos garantir que o metal contido no massalote ficasse totalmente líquido durante toda a solidificação, poderíamos dimensioná-lo com volume igual a soma das contrações do volume da peça.

Porém temos que considerar que o massalote também vai contrair.

Contração volumétrica = Vrechupe= (V + Vm) x b

Onde: 100 - V= Volume da peça

- Vm= Volume do massalote

- b= Coeficiente global de contração volumétrica

Rendimento do massalote ƞ = Vrechupe

Vm

Massalote cilíndrico 14 a 15% ( 0,14 a 0,15)

Massalote esférico 20% (0,20)

Luva exotérmica 67% (0,67)

Vm = b x V

ƞ – b

Valores de b

LIGA SUPERAQUECIMENTO

500c 1500c

Bronze comum 0,04 0,045

Latão comum 0,06 0,065

Latão alta resistência 0,07 0,075

Ligas de Mg 0,05 0,06

Ligas de AlSi10 a 13 0,045 0,05

Ligas de AlSi5 a 10 0,075 0,08

Ligas AlCu4 a 8 0,075 0,08

Ligas de AlMg3 a 6 0,08 0,09

Aço C 0,3% 0,05 0,06

Aço C 0,8% 0,06 0,07

Ferro Fund. Cinzento 0,05 0,06

Ferro Fund. Nodular 0,06 0,09

Ferro fund. Branco CE=3% 0,04 0,06

DISTÂNCIA DE ALIMENTAÇÃO

É a medida a partir do pé do alimentador até aonde conseguimos garantir a alimentação.

Funcionam melhor em peças com seções constantes.

Considera-se para definir a distância de Alimentação:

- A posição do massalote em relação a peça;

- Geometria da peça;

- Utilização ou não de Resfriador.

Onde: A= Distância de Alimentação (Raio de atuação do massalote)

A+E= Distância de alimentação mais efeito de ponta e

A+E+E’= Distância de Alimentação mais efeito de ponta mais resfriador

DISTÂNCIA DE ALIMENTAÇÃO

SEQÜÊNCIA DE DIMENSIONAMENTO

SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO

1º Passo- Divisão da peça em partes levando-se em conta o efeito de extremidade e formações de junção;

2º Passo- Cálculo dos módulos de solidificação e identificação dos pontos quentes;

3º Passo- Definição da posição de moldagem da peça ( Plano de Divisão;

4º Passo- Dimensionamento dos massalotes;

5º Passo- Definição do número de massalotes necessários para a completa alimentação da peça (Observar distância de alimentação, alimentação direcionada);

6º Passo- Avaliação dos resultados do dimensionamento pelos requisitos térmico e volumétrico. Usar o maior;

SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO

Na prática, impõe-se que o módulo de solidificação do massalote seja maior que o módulo da parte da peça à qual ele está diretamente conectado.

Para ligas que solidificam com frentes planas ( aço, Ferro Branco Al, Br, Latão) utiliza-se um aumento de 20% no módulo de solidificação do massalote em relação ao da peça(K), ou seja;

Mm = 1,2 x Mpeça

REQUISITO TÉRMICO M = V S M = Módulo da Seção V = Volume da peça S = superfície de Resfriamento Módulo do Massalote Mm = M.K Mm = Módulo do Massalote M = Módulo da peça ou da seção a ser alimentada K = Coeficiente K = 1,29 – aço carbono 1,2 – geral 0,8 – 0,9 – p/ luva exotérmica

REQUISITO VOLUMÉTRICO Vm = Volume do massalote V = Volume total da peça (gr) Vm = b . V b = 2% p/ cada 100º C de superaquecimento (η – b) η = rendimento do massalote = volume do rechupe / volume total (40% p/ compensar contração L + S) H = p.D 14% massalote cilíndrico, 20% massalote esférico e 67% p/ luva exotérmicas Diâmetro do Massalote

3 Vm . 4 D= π . p π =Pi = 3,14

VALORES DE b:

p/ superaquecimento 50o C 150o C

Ligas de Alumínio 10 a 13 de Si: 0,045 0,05 a 0,06

alumínio 5 a 10 de Si: 0,065 a 0,075 0,07 a 0,08

Aço: 0,06 0,07

Ferro Fundido Cinzento: 0,05 0,06

Ferro fundido nodular: 0,06 a 0,08 0,09

Mn = f.M para ferros fundidos cinzentos e nodulares)

sendo:

Mn = módulo do pescoço

f = fator entre 0,5 a 0,65

M= módulo da peça ou secção da

peça

Para outras ligas o módulo de

resfriamento do pescoço é o módulo

médio, ou seja:

Mm > Mn > M

Mn = Mm + M

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