Defeitos de Fundição Porosidades de contração (rechupe)foundrygate.com/upload/artigos/Defeitos de Fundição - 2 - Rechupe... · Porosidades de contração (rechupe) ... inoxidáveis

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: [email protected]

Defeitos de Fundição - Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014

1

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

13

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

Peça

Massalote

Ligação ou

pescoço




Tempo de solidificação é proporcional ao módulo de resfriamento:

Volume

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

Área

Peça

T2

Tempo de

solidificação do

pescoço

T1

Tempo de

solidificação da

peça

T3

Tempo de

solidificação do

massalote




Peça

T2

Tempo de

solidificação do

pescoço

T1

Tempo de

solidificação da

peça

T3

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

Molde























Ligas com pequeno intervalo de

solidificação

Defeitos de Fundição -

Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso

Minerals 2014

Slide 23





Solidificação com

formação de casca:

Aços ao carbono,

FoFos brancos,

latões, ligas Al>

10%Si

24

Ligas com pequeno intervalo de

solidificação

Peça sem

rechupes

Peça com

rechupes


Porosidades

Ricardo Fuoco - Metso

Minerals 2014

Slide 25





Solidificação com

formação de casca:

Aços ao carbono,

FoFos brancos,

latões, ligas Al>

10%Si

26

Intervalo de solidificação típico

Liga

Intervalo de solidificação

Tipo

(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

29

Porosidades de rechupe Solidificação pastosa



Solidificação

pastosa:

Aços baixa

liga, aços ao

Mn, Bronzes e

ligas Al < 9%Si.

30

Ligas com grande intervalo de

solidificação

A

B C


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




34 34


solidificação

Critério de Niyama




35 35




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

41

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

42


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

43


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

44


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

45

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

47

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 da

48

EXEMPLOS DE RECHUPES EM LIGAS COM SOLIDIFICAÇÃO EM CASCA






Latão fundido (liga Cu-Zn)

Rechupe com superfície lisa

50


Latões – Ligas Cu-Zn



Rechupe

51


Latões – Ligas Cu-Zn



Rechupe principal

52


FoFo branco de alto cromo





Aço ao inoxidável CF8M


54





55





56





57



25x 70x

Aços ao carbono (WCB)


58





59



25x 70x



60



Aço ao carbono (C<0,30%)


61





62




25x


63




64





65




Mecanismos de formação de porosidades Porosidades de contração (rechupe)

Rechupes como concentração de microrrechupes

66

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

de pequenas dendritas alinhadas formando as ranhuras)























250x

72



500x



73



1.000x



74


Liga Al-10%Si


Ricardo Fuoco - Metso Minerals

2014

75




2014

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

76




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

77

EXEMPLOS DE RECHUPES E DE MICROPOROSIDADES EM LIGAS COM

SOLIDIFICAÇÃO PASTOSA





Aço ao manganês (Hadfield)


79



Aço ao manganês (Hadfield)


80



Aços ao manganês (Hadfield)


81



Aços baixa liga (C<0,30%)


82




Bronze 85-5-5-5 fundido em coquilha

83





84





85


Liga Al-7%Si


Porosidades


2014

86



Porosidades


2014

Liga Al-7%Si com baixo H

87



Porosidades


2014

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

88



Porosidades


2014

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

89




Liga Al-7%Si fundida em areia com

elevado teor de H (microporosidades

espalhadas por toda a peça)

90

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





e nodulares





e nodulares

Metal líquido

Metal sólido

Molde





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


2014

102

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;

103


Porosidades


2014

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;

104


Porosidades


2014

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;

105


Porosidades


2014


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);

106


Porosidades


2014

Massalote cilindrico Massalote garrafa




107

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)




108

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



109




110

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

119


2. Alimentação insuficiente da contração primária pelo massalote



< 0,3 do módulo da peça

Presença de rebaixo

na superfície da peça

120

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

122



Rechupe primário

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





Porosidades


2014

Rechupe primário

124



Porosidades


2014

Rechupe primário Rechupe primário

125



Porosidades


2014

Rechupe primário

Rechupe primário

126



Porosidades


2014

Rechupe primário com refluxo

127



Porosidades


2014


128



Porosidades


2014


129


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

130

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

nucleação causando refluxo


Porosidades


2014

Efeito do grau de nucleação (cinzento)

Alto Baixo

131



Porosidades


2014

Rechupe primário

com refluxo Rechupe primário

132

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


134






Presença de rebaixo

na superfície da peça

135



Porosidades


2014

Problema típico de

alimentação em peça de

FoFo nodular

136



Porosidades


2014

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

137



Porosidades


2014

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

138



Porosidades


2014

Alimentação

interrompida

por secção fina

intermediária

139

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

142



Porosidades


2014

Caso típico de inchamento em nodular geralmente

acompanhado de rechupe secundário

143


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



> 0,8 do módulo da peça


interno


144



Porosidades


2014

Pescoço com

módulo

excessivo

145



Porosidades


2014

Pescoço com

módulo

excessivo

146

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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