CONSUTEC Consultoria e Suporte Técnico em Fundição
SIMEC Novembro 2011
Silvio Luiz Felisbino
Introdução: A perfeita alimentação de uma 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. admissível .
A alimentação tem por por finalidade compensar os 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 ( 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; 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 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.
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 solidifica ção que devem ser levado em considera ção 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 cm 2 , 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);
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;
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 utilizandose 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 S
Mm = M
Mm = k x M ( k= coeficiente de segurança)
Tabela de valores referenciais de k LIGA MOLDE MASSALOTE FC com CE=4,2% e 0,2%P Areia verde De topo 0,6%P Lateral De topo De topo FC FE FE Aço baixo C Aço inox Bronze ao alumínio Bronze ao manganês Geral Massalote com luva exotérmica
Rígido Areia Verde Rígido Areia verde Areia verde Areia verde Areia verde -
Lateral Lateral De topo De topo De topo De topo -
Para ligas com solidificação com casca sólida Mm= 1,2 x Mp
K 0,30 0,88 1,00 1,09 0,60 0,9 0,8 1,29 1,15 1,12 1,14 1,2 0,80 – 0,90
Ligas
Contra ção (%)
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
Algumas fórmulas padrões para figuras conhecidas Figura Esfera
Superfície
Volume
πD2
π
6a2
6 0,5236 D3 a3
Cubo Cilindro
πD2
( Base)
4
πD2 x
D3
h
4
Módulo D 6
Obs D= Diâmetro
a 6 D 6
a= Lado D= Diâmetro
πDh
Retângulo
(perímetro) Ax B AxC BxC
AxBxC
AxBxC A= Base 2(A x B) + 2(A x C) + 2(B x C) B= Altura
C= Largura
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 Bronze comum Latão comum Latão alta resistência Ligas de Mg Ligas de AlSi10 a 13 Ligas de AlSi5 a 10 Ligas AlCu4 a 8 Ligas de AlMg3 a 6 Aço C 0,3% Aço C 0,8% Ferro Fund. Cinzento Ferro Fund. Nodular
SUPERAQUECIMENTO 500c 1500c 0,04 0,045 0,06 0,065 0,07 0,075 0,05 0,06 0,045 0,05 0,075 0,08 0,075 0,08 0,08 0,09 0,05 0,06 0,06 0,07 0,05 0,06 0,06 0,09
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 50 o C Ligas de Alumínio 10 a 13 de Si:
0,045
150o C 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 2
