Aula 07 contra__o_e_alimenta__o_de_pe_as_fundidas

Aula 07 – 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.
Disciplina: Fundição dos metais e suas ligas
Professor: Guilherme O. Verran

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
Contração e alimentação de peças fundidas.
Disciplina: Fundição

Representação esquemática da contração (“shrinkage”) 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 os
sistemas 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

Methods of controlling shrinkage in an iron cube to reduce riser size. (a) Open-top riser. (b)
Open-top riser plus chill. (c) Small open-top riser plus chill. (d) Insulated riser. (e) Insulated
riser plus chill

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
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
⇒

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
Vi
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
• LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS
• BRONZES
FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO
DENDRÍTICA

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

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
• AÇOS
• FERROS
FUNDIDOS
• LATÕES
FRENTE DE
SOLIDIFICAÇÃO
PLANA
• Ligas com grande
• LIGAS DE Al
HIPOEUTÉTICAS
• BRONZES
FRENTE DE
SOLIDIFICAÇÃO
DENDRÍTICA
• Ligas com expansão
volumétrica em algum
estágio da solidificação
• FERROS FUNDIDOS
CINZENTOS E NODULARES

Carbono (%)
Temperatura(0C)
1100
1140
1180
1220
1260
1300
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
L
L +Feγ
Feγ + Fe3C
Feγ + grafita
1ª fase: Solidificação pró-eutética
⇒ formação de dendritas de Fe γ
Ocorre a contração
na solidificação
2ª fase: Solidificação do
eutético - Fe γ + grafita
Ocorrem expansão( formação
da grafita) e contração
(formação da austenita (Fe γ).
Solidificação de ferro fundido cinzento
(diagrama Fe-C estável)

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

Aberto – De topo Cego – De topo
Cego – LateralAberto – Lateral
TIPOS DE MASSALOTES

Riser configurations
and their characteristic
values (Mr, Vr, D, H)
Configurações de massalotes e
seus valores característicos
(Mm, Vm, D, H)

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

Plaqueta
Exotérmica
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.
Região que solidifica
mais rápido

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 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

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 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. :

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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