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Defeitos de Fundição Porosidades de contração (rechupe)

• Ricardo Fuoco

Gerente Geral de Tecnologia de Fundição

Metso Brasil Indústria e Comércio Ltda

Fone: (015) 2102-1212

Email: ricardo.fuoco@metso.com

Defeitos de Fundição - Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014

Índice

• 4.1. Porosidades:

• Porosidades de contração (rechupe)

• Porosidades de gases – Microporosidades

– Bolha de gás (sopro)

– Porosidades de gás dissolvido no metal

» Porosidades de Nitrogênio

» Porosidades de Hidrogênio

– Pin Holes (reação metal / molde)

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014 2

Porosidades de contração (rechupe)

3 Defeitos de Fundição - Porosidades

Porosidades de rechupe Características

• 1. Vazios com superfície irregular, com evidências de dendritas, geralmente em regiões grossas da peça;

• 2. Em ligas de pequeno intervalo de solidificação, os rechupes são concentrados e podem apresentar superfície lisa;

• 3. Em ligas com grande intervalo de solidificação, os rechupes são mais dispersos e podem ser confundidos com porosidades de gás;

Porosidades de rechupe Mecanismo de formação

• Todos as ligas fundidas apresentam contração volumétrica decorrente da solidificação. Devido a este fenômeno, é necessário alimentar as contrações de solidificação através de reservatórios de metal líquido (massalotes) visando não ocorrerem rechupes nas peças.

• Através deste artifício, os defeitos de rechupe ficam concentrados nos massalotes que serão posteriormente cortados das peças e reaproveitados como carga dos fornos.

• Para o bom funcionamento dos massalotes há um série de requisitos a serem obedecidos, a saber:

• 1. O princípio geral de alimentação exige que ocorra solidificação direcional para os massalotes, ou seja, as partes finas das peças devem ser as primeiras a solidificar, sendo alimentadas por metal líquido vindo das partes grossas adjacentes. Assim, é necessário estabelecer quais são as áreas grossas que serão as últimas a solidificar, onde serão colocados os massalotes;

• 2. Cada massalote e o pescoço de ligação massalote/peça devem solidificar após a respectiva região da peça que está sendo alimentada (requisito térmico);

• 3. Cada massalote deve apresentar volume útil superior ao necessário para alimentar a respectiva região da peça que está sendo alimentada (requisito volumétrico);

• 4. Em secções de espessura constante, a direcionalidade da solidificação têm distâncias limitadas (requisito de distância de alimentação);

• 5. Visando obter uma maior eficiência na alimentação das peças fundidas são utilizados alguns recursos auxiliares que alteram as velocidades de resfriamento do metal líquido. Os mais comuns são resfriadores metálicos, luvas exotérmicas (maior eficiência e massalotes de pequeno tamanho) e luvas isolantes (maior eficiência em massalotes de maiores dimensões).

• 6. Além disto, para auxiliar a direcionalidade da solidificação são utilizados engrossamentos de paredes de peças, posteriormente eliminados nas etapas de rebarbação (“pading”).

Porosidades de rechupe Recursos adicionais - uso de resfriadores

Porosidades de rechupe Solidificação em casca

Porosidades de rechupe Solidificação em casca com dendritas

Porosidades de rechupe Solidificação pastosa com dendritas

Porosidades de rechupe Tipos de solidificação casca x pastosa

Solidificação com

formação de casca Solidificação

pastosa

Solidificação com frente “plana”

Modo de solidificação com frente plana (ligas com pequeno intervalo de

solidificação e pequena tendência à segregação) – Aços ao carbono, aços

inox, FoFo branco, ligas Al-Si com 11-13%Si, latões e bronzes ao Al

Metal líquido Metal

sólido Molde

Alimentação de ligas que solidificam com frente plana – solidificação direcional

Tipicamente calcula-se o tempo de solidificação da peça (ou da região a

ser alimentada) por meio do cálculo de módulos e projeta-se um pescoço

e um massalote que garantam a solidificação direcional

peça/pescoço/massalote

Massalote

Ligação ou

pescoço

Tempo de solidificação é proporcional ao módulo de resfriamento:

Volume

Tempo ---------------

Tempo de

solidificação do

pescoço

Tempo de

solidificação da

Tempo de

solidificação do

massalote

Tempo de

solidificação do

pescoço

Tempo de

solidificação da

Tempo de

solidificação do

massalote

SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL = T3 > T2 > T1

solidificação direcional

Modo de solidificação com frente plana – Aços ao carbono, aços inox,

FoFo branco, ligas Al-Si com 11%Si, latões e bronzes ao Al

Metal líquido

Metal sólido

Ligas com pequeno intervalo de

solidificação

Defeitos de Fundição -

Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso

Minerals 2014

Solidificação com

formação de casca:

Aços ao carbono,

FoFos brancos,

latões, ligas Al>

Ligas com pequeno intervalo de

solidificação

Peça sem

rechupes

Peça com

rechupes

Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso

Minerals 2014

Solidificação com

formação de casca:

Aços ao carbono,

FoFos brancos,

latões, ligas Al>

Intervalo de solidificação típico

Intervalo de solidificação

(T = Tliquidus – Tsolidus )

Aços ao carbono, aços

inoxidáveis e Ferro Fundido

branco de alto cromo

50 a 60°C

Pequeno intervalo de

solidificação

Aços baixa liga (Cr, Ni e Mo)

ligas de Al (Si<9%)

70 a 100°C

Médio intervalo de solidificação

Aços ao manganês

bronzes ao Sn

170 to 230°C

Grande intervalo de solidificação

Porosidades de rechupe Solidificação em casca x pastosa

Irregular shrinkage

Equiaxial dendrite grains

Isolated

interdendritic

shrinkage

porosities

Porosidades de rechupe Tipos de solidificação casca x pastosa

11%Si+0,15%Mg 7%Si+0,35%Mg

Rechupe disperso Rechupe concentrado

Porosidades de rechupe Solidificação pastosa

Solidificação

pastosa:

Aços baixa

liga, aços ao

Mn, Bronzes e

ligas Al < 9%Si.

Ligas com grande intervalo de

solidificação

• O gradiente térmico determina a extensão da zona pastosa onde convivem fase sólida (dendritas) e fase líquida.

• Assim, com maiores gradientes térmicos a extensão da zona pastosa é reduzida permitindo a alimentação das poças de líquido interdendrítico.

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014 31 Slide 31

A solução para alimentação dos microrrechupes em peças fundidas em ligas com grande intervalo

de solidificação passa pela imposição de maiores gradientes térmicos durante a solidificação

(uso de resfriadores e/ou de conicidade)

solidificação

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014 32 32

• A solidificação direcional isoladamente não satisfaz a condição de alimentação de peças quando as ligas apresentam grandes intervalos de solidificação. Nesta condição, o critério mais utilizado é o estabelecido por Niyama:

• Onde:

G = Gradiente térmico local = Diferença de temperaturas por distância [°C/mm]

R = Velocidade de resfriamento local = Variação de temperatura pelo tempo [°C/s]

Ny = Critério de Niyama para ligas com grande intervalo de solidificação > 0.7 [(°C s)1/2/mm]

solidificação Critério de Niyama

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014 33 33

solidificação

Critério de Niyama

solidificação

Critério de Niyama

Solidificação

pastosa:

Aços baixa

liga, aços ao

Mn, Bronzes e

ligas Al < 9%Si.

Rechupe na forma de porosidades dispersas em peça fundida em aço ao Mn

(solidificação pastosa)

Simulação de solidificação usando o critério de Niyama para prever a formação de

microporosidades dispersas. A microestrutura corresponde a uma região com

elevado gradiente térmico e Ny > 0.7 (°C s)1/2 /mm

Simulação de solidificação usando o critério de Niyama para prever a formação de

microporosidades dispersas. A microestrutura corresponde a uma região com baixo

gradiente térmico e Ny < 0.7 (°C s)1/2 /mm

Porosidades de rechupe Técnica de alimentação para ligas com solidificação em casca

Alimentação por massalotes (solidificação direcional) sem a presença de rechupe

Porosidades de rechupe Técnicas de alimentação para ligas com solidificação pastosa

Alimentação parcial, com distribuição do rechupe em microporosidades

Presença de microporosidades

distribuídas por toda a peça

Porosidades de rechupe Falhas no requisito térmico

Alimentação deficiente por falta de solidificação direcional

para o massalote resultando em porosidades de rechupe

Presença de rechupe

Alimentação deficiente por limitação de módulo do pescoço

(falta de solidificação direcional para o massalote) resultando em porosidades de rechupe

Pescoço com módulo

inferior ao da peça

Alimentação deficiente por limitação de módulo do pescoço

(falta de solidificação direcional para o massalote) resultando em porosidades de rechupe

Pescoço com módulo

inferior ao da peça

Alimentação deficiente por limitação de módulo do pescoço (falta de contato do macho estrangulador com a peça) resultando em porosidades de rechupe

Areia do molde sob o

macho estrangulador

reduzindo o módulo

do pescoço

Porosidades de rechupe Falhas no requisito volumétrico

Alimentação deficiente por falta de volume de massalote

resultando em porosidades de rechupe imediatamente abaixo do massalote.

Porosidades de rechupe Falhas no requisito de distância de alimentação

Alimentação deficiente por falta de distância de alimentação resultando em porosidades de rechupe (centerline shrinkage)

da ex ex da

Porosidades de rechupe Falhas no requisito de distância de alimentação

Alimentação deficiente por falta de distância de alimentação resultando em porosidades de rechupe (centerline shrinkage)

EXEMPLOS DE RECHUPES EM LIGAS COM SOLIDIFICAÇÃO EM CASCA

Latão fundido (liga Cu-Zn)

Rechupe com superfície lisa

Latões – Ligas Cu-Zn

Rechupe

Latões – Ligas Cu-Zn

Rechupe principal

FoFo branco de alto cromo

Aço ao inoxidável CF8M

25x 70x

Aços ao carbono (WCB)

25x 70x

Aço ao carbono (C<0,30%)

Mecanismos de formação de porosidades Porosidades de contração (rechupe)

Rechupes como concentração de microrrechupes

Porosidades de rechupe em aços Aspectos microscópicos de rechupes de aços (presença

de pequenas dendritas alinhadas formando as ranhuras)

1.000x

Liga Al-10%Si

Ricardo Fuoco - Metso Minerals

Liga Al-10%Si Liga Al-7%Si

Coquilha com basculamento (60°) Al-10%Si

EXEMPLOS DE RECHUPES E DE MICROPOROSIDADES EM LIGAS COM

SOLIDIFICAÇÃO PASTOSA

Aço ao manganês (Hadfield)

Aços ao manganês (Hadfield)

Aços baixa liga (C<0,30%)

Bronze 85-5-5-5 fundido em coquilha

Liga Al-7%Si

Porosidades

Liga Al-7%Si com baixo H

Porosidades

Rechupe concentrado em liga Al-7%Si com baixo H

Porosidades

Rechupe concentrado em liga Al-7%Si com baixo H

Liga Al-7%Si fundida em areia com

elevado teor de H (microporosidades

espalhadas por toda a peça)

SOLIDIFICAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS

Porosidades de rechupe Solidificação de ferros fundidos

Modo de crescimento de células eutéticas em

FoFo cinzento

Modo de solidificação de ferros fundidos cinzentos Células eutéticas

Poças de líquido

intercelular

Porosidades de rechupe Solidificação de ferros fundidos

• Micrografia mostrando a evolução na formação de células eutéticas em FoFo nodular

Alimentação em ferros fundidos solidificação direcional

Modo de solidificação com células eutéticas – Ferros fundidos cinzentos

e nodulares

Metal líquido

Metal sólido

e nodulares

A técnica de alimentação por solidificação direcional não garante de

alimentação das poças de líquido intercelular.

Poças de metal

líquido

Metal sólido

Rechupe

secundário

Rechupe

primário liso

A técnica de alimentação por solidificação direcional não garante de

alimentação das poças de líquido intercelular. Como alimentar estas

poças de líquido?????

Rechupe

primário

irregular

Porosidades de rechupe Variações volumétricas durante a solidificação de ferros fundidos

Porosidades de rechupe Variações volumétricas durante a solidificação

Porosidades

Projeto de massalotes FoFo cinzento

Massalote para alimentar a contração primária - Técnica mais utilizada em FoFos cinzentos em moldes de areia a verde (o pescoço deve solidificar no princípio da expansão da grafita);

A alimentação da contração secundária é feita pela expansão da grafita (pressão é acumulada elasticamente sobre as paredes do molde, garantindo a alimentação secundária com o alívio desta pressão);

O módulo de resfriamento do pescoço deve ser de 0,3 a 0,5 do módulo de resfriamento da peça;

Porosidades

Projeto de massalotes FoFo cinzento

O massalote alimenta somente a contração líquida, então o massalote deve estar acima do nível da peça.

O módulo do massalote deve ser pouco superior ao do pescoço;

Volume do massalote para alimentar a contração líquida da peça (2% a cada 100ºC de superaquecimento);

Exige alguma rigidez do molde;

Porosidades

Projeto de massalotes FoFo nodular

Massalote de alívio de pressão - Sistema mais utilizado para peças de ferro fundido nodular em moldes de areia a verde (exige alguma rigidez do molde);

O pescoço deve solidificar após alguma formação de grafita, ou seja, deve permitir algum refluxo para o massalote, limitando o esforço sobre o molde;

A alimentação da contração secundária é feita pela expansão da grafita;

Porosidades

O módulo de resfriamento do pescoço deve ser de 0,5 a 0,8 do módulo de resfriamento da peça;

O massalote deve ter módulo pouco superior ao do pescoço.

O massalote deve estar acima do nível da peça;

O volume do massalote deve alimentar a contração líquida da peça (2% a cada 100ºC);

Porosidades

Massalote cilindrico Massalote garrafa

Massalote pouco eficiente

(massalote lateral)

Importante lembrar que o

massalote em ferro fundido

alimenta somente a contração

líquida, então é importante que o

maior volume do massalote esteja

acima do nível da peça (desnível

entre massalote e peça)

Massalote pouco eficiente

(massalote lateral) Massalote eficiente

(lateral)

Importante lembrar que o massalote em ferro fundido alimenta somente a

contração líquida, então é importante que o maior volume do massalote

esteja acima do nível da peça Defeitos de Fundição - Porosidades

Projeto de massalotes Distorções freqüentes

Pouca distância entre massalote e peça (pescoço é a última região a solidificar)

Pouca altura do massalote em relação à peça

Peça com nível acima do

rechupe do massalote

Altura adequada do massalote em relação à peça

EXEMPLOS DE RECHUPES EM PEÇAS DE FERRO FUNDIDO CINZENTO

Porosidades de rechupe Desvios de processo mais freqüentes em FoFo cinzentos

1. Alimentação correta da contração primária pelo massalote

0,3 a 0,5 do módulo da peça

2. Alimentação insuficiente da contração primária pelo massalote

< 0,3 do módulo da peça

Presença de rebaixo

na superfície da peça

Falhas típicas de alimentação Região grossa isolada do massalote por secção fina

Para peças de geometria complexa, pode ser necessário o uso de

mais de um massalote:

Pescoço com módulo adequado em

relação ao módulo da secção A

Secção A

Rechupe primário e secção grossa

não alimentada pela secção A Defeitos de Fundição - Porosidades

Alimentação

interrompida por

secção fina

intermediária

Porosidade

Secção fina. Para funcionar

deve seguir a recomendação

de pescoço

Falhas típicas de alimentação Região grossa isolada do massalote por secção fina

Rechupe primário

Falhas típicas de alimentação FoFo cinzento - Região grossa isolada do massalote por secção fina

Porosidades

Rechupe primário

Porosidades

Rechupe primário Rechupe primário

Porosidades

Rechupe primário

Porosidades

Rechupe primário com refluxo

Porosidades

3. Alimentação da contração primária, mas com tempo excessivo de pescoço aberto (refluxo)

> 0,5 do módulo da peça

interno

Sinal de refluxo no massalote

Porosidades de rechupe Exemplo de defeito de rechupe em FoFo cinzento por excesso de grau de

nucleação causando refluxo

Porosidades

Efeito do grau de nucleação (cinzento)

Alto Baixo

Porosidades

Rechupe primário

com refluxo Rechupe primário

EXEMPLOS DE RECHUPES EM PEÇAS DE FERRO FUNDIDO NODULAR

Porosidades de rechupe Desvios de processo mais freqüentes em FoFo nodular

1. Alimentação correta da contração primária pelo massalote permitindo algum alívio de pressão

0,5 a 0,8 do módulo da peça

Presença de rebaixo

na superfície da peça

Porosidades

Problema típico de

alimentação em peça de

FoFo nodular

Porosidades

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

Porosidades

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

Porosidades

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

Falhas típicas de alimentação FoFo nodular – Região grossa isolada do

massalote por secção fina

Para peças de geometria

complexa, pode ser necessário

o uso de mais de um

massalote ou do

engrossamento de secções

finas intermediárias;

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

(não há rechupe

externo no

massalote)

Falhas típicas de alimentação FoFo nodular – Região grossa isolada do massalote por secção fina

Inchamento da peça

Porosidades

Caso típico de inchamento em nodular geralmente

acompanhado de rechupe secundário

3. Alimentação da contração primária, mas com tempo excessivo de pescoço aberto (refluxo)

> 0,8 do módulo da peça

interno

Porosidades

Pescoço com

módulo

excessivo

Porosidades

Pescoço com

módulo

excessivo

Falhas típicas de alimentação FoFo nodular – Massalote quente x massalote frio

Peça sem rechupe

(massalote quente)

Detalhe do

massalote quente

Peça com rechupe

(massalote frio)

Detalhe do massalote

sem rechupe

(massalote frio)

Detalhe do rechupe

secundário

Peça com

rechupe

(massalote frio)

Detalhe do massalote

parcialmente

reenchido (massalote

frio) Detalhe dos rechupes na

superfície (depressão)

Massalotes quentes (sem rechupe)

Massalotes frios (com rechupe)

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