Fundiçao, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
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Microsoft PowerPoint - Aula 03- Contração e Alimentação de Peças Fundidas

1

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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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.

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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 “reservatórios de metal líquido” que constituem os sistemas de canais de alimentação de peças fundidas

Massalote

Parte da peça fundida alimentada pelo massalote

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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 Progressiva Massalote (alimentador)

¨Riser¨

Solidificação direcional e progressiva numa peça com massalote

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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Tabela I: Valores de Contração Volumétrica de Solidificação para 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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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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Plaqueta Exotérmica

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

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

Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 03: Contração e alimentação de peças fundidas. Prof. Dr. Guilherme Verran

Valores de K para algumas condições práticas:

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

Aço Baixo C Areia 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 0,075 Latão 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/ Exotérmico FoFo em Molde Rígido C/ Luva Exotérmica

6

5

4 3 2

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 massalotes só 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 Massalotes 4. 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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