Aula 08 Projetos 01 Solidifica o,Contra o e Alimenta o … · Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva Metal Semi -Sólido Metal Líquido Metal Sólido A Interface

Aula 08_Projetos 01: Solidificação, Contração e Ali mentação dos Metais

1. Introdução

Diferenças entre sólidos e líquidosEventos que caracterizam a solidificação. Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação.Importância da solidificação na tecnologia de fundição.Nucleação da Fase Sólida - Nucleação Homogênea e Nucleação HeterogêneaCrescimento da Fase Sólida - Modelos de Crescimento

Disciplina: Projetos de Ferramentais IProfessor: Guilherme O. Verran

2. Contração e alimentação

Contrações que ocorrem durante o resfriamento de peças fundidas.Contrações e rechupes em função do modo de solidificação.Compensação das constrações – uso de massalotes.Conceito de massalote - Funções de um massalote.Requisitos dos MassolotesProjeto de Massalotes

Diferenças entre Líquidos e Sólidos

LÍQUIDOS

Átomos apresentam alta energia cinética

Ordem de curto alcance

SÓLIDOS

Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa

Arranjados numa ordem de longo alcance

Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas

Projeto de Ferramentais IProf. Dr. Guilherme Verran

Solidificação - Fundamentos

SOLIDIFICAÇÃO

Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance

Retirada de Energia Térmica

(Resfriamento )



• A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica ⇒⇒⇒⇒ ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto.

SOLIDIFICAÇÃO

⇓⇓⇓⇓

Ocorrência de Heterogeneidades



Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas

• Físicas :

• Químicas :

• Estruturais :

• Porosidades

• Rechupes

• Trincas de Contração

• Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica).

Dos Grãos ou Cristais .

• Tipos

• Distribuição

• Tamanho

• Natureza



HeterogeneidadesFisicas

Defeitos Fisicos

DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL .

• Porosidades

• Rechupes

• Trincas de Solidificação

Contração na Solidificação

Modelo de Solidificação Projeto

Gases Dissolvidos no Metal Liquido



Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição

• Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação

• Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação (rechupes, trincas, porosidades) e às heterogeneidades de composição química (segregações).

• Otimização e controle das variáveis do processo.

• Desenvolvimento de novos materiais e processos.



Nucleação

Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos.

Crescimento

Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos.

Como todas as transformações de fase, a solidificaç ão se processa em duas etapas sucessivas de Nucleaçãoe Crescimento de uma nova fase em meio à anterior.



• Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido.

Nucleação Homogênea

• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico.

Superesfriamento Térmico ⇒⇒⇒⇒

Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis .

Fase Líquida Superesfriada Térmicamente

Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.

⇒⇒⇒⇒



CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFI CAÇÃO

tempoTempo de Solidificação

Tem

pera

tura

(0 C

)

∆∆∆∆T

L L + S

S

Temperatura de Vazamento - T v

Temperatura de Nucleação - T N

Temperatura de Solidificação - T S

∆∆∆∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico



• Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético d a sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável).

Nucleação Heterogênea

⇓⇓⇓⇓

Condição mais favorável para a nucleação

O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA , aproveitando a energia de superfície ali disponível.



Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea

INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO

Adição ou Inoculação de substratos heterogêneoscom alta potência de nucleação (sob a forma de partículas finamente divididas).

Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado

Cada partícula do NUCLEANTE atua como um SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de molhamento pelo metal líquido.

Projeto de Ferramentais IProf. Dr. Guilherme VerranProjeto de Ferramentais I

Prof. Dr. Guilherme Verran


Crescimento da Fase Sólida

Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquid o para o sólido.

Mecanismos de Crescimento

• Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva

• Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva



Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrítica

Nucleação Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação



Líquido

Sólido

Crescimento com Interface Lisa ou Solidificação Progressiva

A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida

Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.



Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva

Metal Semi-Sólido

Metal Líquido

Metal Sólido

A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido).

Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas

( ∆∆∆∆T = TL – TS ⇒⇒⇒⇒ Intervalo de Solidificação)



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


Solidificação – Contrações e Alimentação

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.



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



MASSALOTES

Massalotes ou Montantes são “reservatórios

de metal líquido” que constituem ossistemas de canais de alimentação de

peças fundidas

Massalote

Parte da peça fundida alimentada pelo massalote



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



Solidificação Direcional

Solidificação Progressiva

Massalote (alimentador)

¨Riser¨

Solidificação direcional e progressiva numa peça com massalote



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



Líquido

Sólido

Vs

T (decrescente)

∆∆∆∆V

V i

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

⇒



Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro

INTERFACE PLANA

• COMPOSIÇÃO EUTÉTICA

• METAIS PUROS

Ligas que solidificam com temperatura constante



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

V i

Superaquecimento Metal Sólido

Vc

Metal Pastoso



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



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



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



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



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.



Liga com pequeno intervalo de solidificação

Liga com grande intervalo de solidificação

Influência do modo de solidificação na alimentação de peças fundidas



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



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



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


DENDRÍTICA

• Ligas com expansão volumétrica em algum estágio da solidificação

• FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES



Consequências dos diferentes modelos de solidificação na prática de alimentação.


PLANA⇒

• Necessidade de promover solidificação direcionada na própria peça e do (s) ponto

(s) quente(s) para o massalote

• Maior facilidade de alimentação


DENDRÍTICA⇒

• Baixa temperatura de vazamento

• Uso de Resfriadores

• Ataques nas partes finas



Aberto – De topo Cego – De topo

Cego – LateralAberto – Lateral

TIPOS DE MASSALOTES



Mecanismo de Formação de Rechupes

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



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



PlaquetaExotérmica

Rechupe Resfriador

Formação de Rechupe na Região C

Placa Exotérmica

⇓⇓⇓⇓

↑↑↑↑ Tempo de Solidificação

Resfriador

⇓⇓⇓⇓↓↓↓↓ Tempo de

Solidificação



Zona de Ação ou Distância de Alimentação

Distância Máxima

Efeito PontaContribuição do massalote

Distância máxima de alimentação em placas de aço.




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




Distância de alimentação adicional devido

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



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 alimentad a)

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

ts = tempo de solidificação (s)

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



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



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



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)

0,30

0,88

1,00

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. :



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




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 / ηηηη - b

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

b = Coeficiente de contração volumétrica

Equação Básica ⇒⇒⇒⇒

ηηηη = Rendimento do massalote ⇒⇒⇒⇒Caso Geral

η = 14%



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



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



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



Massalotes de Topo

Massalote lateral para peça tipo ¨placa¨.

Massalotes laterais

Regras Gerais para Design de Pescoços

para Massolotes




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




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




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.




5 . Dimensionamento do Pescoço do Massalote.

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

7 . Cálculo do Rendimento Metalúrgico.



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