Slide Aula 3 - Contração de Volume - 2024-1

Processos de Fabricação Mecânica 1 Universidade Federal do Maranhão – UFMA Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas – CCET CAMPUS SÃO LUÍS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Prof. Dr. : Helio Cantanhêde e-mail : helio.cantanhede@ufma.br 1 2 A solidificação é a transformação fundamental num processo de fundição. Essa transformação líquido-sólido depende da composição química da liga das particularidades (material do molde, superaquecimento etc.) de cada processo de fundição. SOLIDIFICAÇÃO e RESFRIAMENTO SOLIDIFICAÇÃO e RESFRIAMENTO Temperatura Tempo tf Temperatura de vazamento Resfriamento do líquido Início da solidificação Tempo de solidificação local Tempo total de solidificação Término da solidificação Temperatura de solidificação Resfriamento do sólido 4 O estudo dos fenômenos que podem ocorrer durante a solidificação do metal líquido é importante, pois eles podem ocasionar o aparecimento de heterogeneidades, as quais, se não forem adequadamente controladas, podem prejudicar a qualidade das peças fundidas e provocar a sua rejeição. SOLIDIFICAÇÃO e RESFRIAMENTO 5 Esses fenômenos são:  Cristalização (nucleação e crescimento de grãos);  Contração de volume;  Concentração de impurezas (segregação);  Desprendimento de gases. SOLIDIFICAÇÃO e RESFRIAMENTO 6 Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como “núcleos” para o posterior desenvolvimento ou “crescimento” dos cristais, dando, finalmente, origem aos grãos definitivos e à “estrutura granular” típica dos metais. Cristalização Cristalização ÁTOMO CÉLULA UNITÁRIA CRYSTAL LATTICE Fases do ferro desde a temperatura ambiente até o ponto de fusão Temperatura [°C] 1536 Fase líquida 1400 910 Ferrita delta δ CCC Austenita γ CFC Ferrita α CCC 8 O crescimento dos cristais não ocorre de maneira uniforme, ou seja, a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções, variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos; além disso, no interior dos moldes, o crescimento é limitado pelas paredes do molde Cristalização 9 Uma vez que a transferência de calor ocorre por meio da camada e da parede do molde, os grãos crescem para o interior como agulhas ou protuberâncias de metal sólido Cristalização 10 À medida que essas protuberâncias crescem, braços laterais são formados e, com o crescimento desses braços, adicionais braços se formarão perpendicularmente aos primeiros. Esse tipo de crescimento é referido como crescimento dendrítico, e ocorre não somente na solidificação de metais puros, mas também na solidificação de ligas. Cristalização Formação da estrutura dendrítica 11 Como resultado, os grãos cristalinos originados serão do tipo dendrítico, similar à uma árvore com seus ramos (dendritas). Cristalização Formação da estrutura dendrítica 12 Formação da estrutura dendrítica 13 Com exceção das composições eutéticas, que se solidificam de maneira similar a um metal puro, todas as ligas se solidificam num intervalo de temperaturas. Essa característica é determinante para a seleção de ligas usadas na fundição. Intervalo de solidificação Al + Si Líquido Al Liga eutética (11,7% Si) Liga hipereutética (18% Si) Liga hipoeutética (6% Si) 577 °C Líquido + Al Líquido + Si 14 A solidificação de uma liga pode ser explicada com a ajuda da Figura, que mostra o diagrama de fases de uma liga particular e a curva de resfriamento para uma determinada composição. À medida que a temperatura cai, a solidificação tem início na temperatura liquidus e é completada quando a temperatura solidus é alcançada Intervalo de solidificação a) Diagrama de fases para um sistema de ligas cobre-níquel e (b) curva de resfriamento correspondente à fundição da liga com composição 50%Ni-50%Cu. 15 Vejamos como exemplo as ligas Al-Si . Na solidificação de uma liga hipoeutética, por ex., Al-6% de Si, dentro do intervalo de temperaturas entre as temperaturas liquidus e solidus, denominado intervalo de solidificação da liga, a liga é uma mistura de sólido e líquido, Intervalo de solidificação 16 Observa-se na figura seguinte que a liga Al-6% Si tem um intervalo intermediário de solidificação (entre 20 °C e 110 °C). Outras ligas podem ter intervalo de solidificação pequeno (< 20 °C). O metal puro (Al ou Si) e a liga eutética (Al-11,7% Si) apresentam intervalo de solidificação nulo. A liga hipereutética (Al-18% Si) apresenta um grande intervalo de solidificação (> 110 °C); Intervalo de solidificação 17 Ligas com intervalo de solidificação nulo (metais puros e ligas eutéticas) Ligas com intervalo de solidificação pequeno Ligas com intervalo de solidificação grande Ligas com intervalo de solidificação intermediário 18 No nível macroscópico, a composição química varia ao longo da peça fundida. Uma vez que regiões do fundido que solidificaram primeiro (próximo às paredes do molde) são mais ricas num dado componente, no momento que a solidificação ocorre na parte central, o metal líquido remanescente estará empobrecido naquele elemento de liga Intervalo de solidificação 19 Assim, há uma segregação geral ao longo da seção transversal da peça, algumas vezes denominada segregação de lingote Intervalo de solidificação 20 Composições com grandes intervalos de solidificação não se solidificam progressivamente, direcionalmente, mas simultaneamente em diversas regiões da peça e de modo aleatório. Esse modo de solidificação resulta em uma “zona pastosa” em todo volume da peça, formada por partes sólidas circundadas por numerosos e pequenos canais de líquido Intervalo de solidificação 21 Com a progressiva solidificação tem-se uma restrição no fluxo de metal líquido por entre esses canais, podendo provocar falta de metal líquido em diversas regiões dentro do molde, podendo gerar vazios e porosidades devido à falta de alimentação. Intervalo de solidificação 22 Ligas com composição eutéticas ou metais puros não têm a formação de zona pastosas, persistindo o canal para o fluxo do metal líquido através dessa região do molde até o momento em que as duas frentes da fase sólida se encontram. É o caso que apresenta menos problemas de alimentação devido à solidificação. Intervalo de solidificação 23 Assim, considerando a questão da alimentação e também as baixas temperaturas liquidus, as ligas eutéticas ou aquelas perto das composições eutéticas são as mais usadas na fundição. Intervalo de solidificação 24 A contração ocorre em três etapas: 1) contração líquida, correspondente ao abaixamento da temperatura até o início da solidificação. Contração de volume 25 2) contração de solidificação, correspondente à variação de volume que ocorre durante a mudança do estado líquido para o sólido; 3) contração sólida, correspondente à variação do volume que ocorre já no estado sólido, desde a temperatura do final da solidificação até a temperatura ambiente. Contração de volume 26 Essa é usualmente a última região a solidificar, e a ausência de metal cria um vazio no fundido nessa localização. Essa cavidade de contração é chamada rechupe pelos fundidores. Contração de volume 27 A contração é expressa em porcentagem de volume, com exceção da contração sólida que é expressa linearmente para facilitar o projeto dos modelos. Contração de volume 28 As dimensões da cavidade do molde devem prever as contrações de solidificação e resfriamento, assim, devem ter dimensões maiores do que a da peça a ser produzida. 29 Principalmente como consequência da contração de solidificação, partes volumosas das peças, as últimas a serem solidificadas, tendem a apresentar vazios. Esses vazios são originados nessas partes porque o metal líquido tende a fluir para as regiões que já se solidificaram e sofreram contração, que correspondem às regiões menos volumosas. 30 No final do processo de solidificação, quando essas partes volumosas se solidificam, estando já todas as outras partes solidificadas, não há nenhuma fonte de suprimento de metal líquido para a compensação da contração, originando, assim, os vazios. 31 Para resolver esses problema são usados os massalotes, cavidades adicionais incorporadas ao molde que funcionam como reservatórios de metal líquido para suprir as regiões da peça que se contraem durante a solidificação, especialmente as mais volumosas. 32 Projeto de massalotes A solidificação de um metal puro ou de uma liga metálica fundida demanda tempo. O tempo total de solidificação é o tempo necessário para que a peça fundida solidifique após o vazamento. O tempo total depende do tamanho e da forma da peça fundida, relacionados por uma lei empírica conhecida como regra de Chvorinov: tsol = Cm.(V/A)n Onde tsol = tempo total de solidificação (min); V = volume da peça fundida (cm3); A = área superficial da peça fundida (cm2); n = expoente, usualmente tomado com o valor igual a 2; Cm = constante do molde. Considerando n = 2, as unidades de Cm são min/cm2 e seu valor depende das condições particulares da operação de fundição, incluindo o material do molde (calor específico, condutividade térmica etc.), propriedades térmicas do metal fundido (calor específico, condutividade térmica etc.) e temperatura de vazamento em relação ao ponto de fusão do metal. O valor de Cm para uma dada operação de fundição pode ser baseado em dados experimentais de operações anteriores realizadas utilizando o mesmo material de molde, metal e temperatura de vazamento, embora a forma da peça possa ser bastante diferente. 33 A regra de Chvorinov indica que uma peça fundida com maior razão de volume por área superficial irá resfriar e solidificar mais lentamente do que uma peça com razão menor. Este princípio é utilizado no projeto de massalotes. Para desempenhar sua função de alimentar a peça com metal fundido, o metal presente no massalote deve permanecer na fase líquida por mais tempo do que o metal da peça fundida. Em outras palavras, o tsol para o massalote deve exceder o tsol para o corpo fundido principal. Como as condições do molde para o massalote e a peça fundida são as mesmas, suas constantes de molde serão iguais. No projeto, se o massalote tiver a razão de volume por área maior, pode-se ter quase a certeza de que a peça fundida se solidificará primeiro e que os efeitos da contração serão minimizados. Vazamento de metal líquido preenchendo a cavidade e quatro massalotes (esq.) e resfriamento do metal líquido (dir.), observar que os quatro massalotes se solidificam por último Exercício 1: Um canal de alimentação de um molde tem 20 cm de comprimento, e a área da seção transversal na base é igual a 2,5 cm². O canal alimenta um canal de distribuição horizontal até a cavidade do molde cujo volume é 1560 cm³. Determine: (a) velocidade do metal fundido na base do canal, (b) vazão do líquido, e (c) tempo para encher o molde. Solução: (a) A velocidade do fluxo metálico na base do canal é dada pela Eq. (5.4): v = \sqrt{2(981)(20)} = 198,1 cm/s (b) A vazão é igual a Q = (2,5 cm²)(198,1 cm/s) = 495 cm³/s (c) O tempo requerido para encher a cavidade do molde de 1560 cm³ a essa vazão é T_{EM} = 1560/495 = 3,2s 35 Exercício 2: Um massalote cilíndrico deve ser projetado para um molde de fundição em areia. A peça fundida é uma placa retangular de aço com dimensões de 7,5 cm x 12,5 cm x 2,0 cm. Observações anteriores indicaram que o tempo total de solidificação (tsol) para esta fundição = 1,6 min. O cilindro que formará o massalote terá uma relação diâmetro/altura = 1. Determine as dimensões do massalote de modo que seu tsol = 2 min. Primeiro determina-se a relação V/A para a placa (peça). Seu volume é V = 7,5 cm x 12,5 cm x 2,0 cm = 187,5 cm3 e sua área de superfície é A = 2.(7,5 cm x 12,5 cm + 7,5 cm x 2,0 cm + 12,5 cm x 2,0 cm) = 267,5 cm2. Dado que tsol = 1,6 min, pode-se determinar a constante do molde Cm a partir da equação de Chvorinov, utilizando um valor de n = 2. Cm = tsol / (V/A)2 = 1,6 min / (187,5/267,5)2 = 3,26 min/cm2 Em seguida, deve-se projetar o massalote de modo que seu tempo total de solidificação seja de 2 min, usando o mesmo valor da constante de molde. O volume e a área superficial do massalote (cilíndrico) são: V = πD2h/4 e A = πDh + 2πD2/4 Como a razão D/h é igual a 1, D = h. Substituindo essa relação nas fórmulas de volume e área, obtém-se V = (¼).πD3 e A = (3/2).πD2 → V/A = (1/6).D 36 Assim, a razão V/A = D/6. Usando esta razão na equação de Chvorinov, tem-se: tsol = Cm.(V/A)n 2 min = (3,26 min/cm2). (D/6)2 → 2 = 0,09056.D2 D2 = 2/0,09056 = 22,086 cm2 → D = 4,7 cm Como D = h, a altura é igual a 4,7 cm. O massalote representa uma quantidade de metal adicional que, após a solidificação, será removido da peça fundida e será fundido novamente para fundições subsequentes. É desejável que o volume de metal no massalote seja mínimo. Uma vez que a geometria do massalote é normalmente selecionada para maximizar a relação V/A, isso tende a reduzir o volume do massalote tanto quanto possível. Observe que o volume do massalote em nosso problema é V = 0,25π(4,7 cm)3 = 81,5 cm3, apenas 44 % do volume da placa (peça fundida), embora seu tempo total de solidificação seja 25 % maior. Referências Gerais; 1. LISBÃO A. S. Estrutura e propriedades dos polímeros, Editora EDUFSCAR, 2009. 2. Machado. F. A.; Harada, J. Tecnologia de Moldagem por Sopro. Injeção e Extrusão Plásticos. Artliber, 2014. 208p. 3. Almeida, G. S. G.; Souza, W. B. Moldes e Matrizes. Características, Desenvolvimento e Funcionalidades Para Transformação de Plásticos. Ed. Érica, 2015. 136p 4. KIMINAMI, C. S.; CASTRO, W. B.; OLIVEIRA, M. F. Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos. São Paulo: Blucher, 2013, 235 p. Complementar; 1. Neto, F. L., Pardini, L. C. Compósitos Estruturais. Ciência e Tecnologia. Edgard Blucher, Ed.2, 2016. 416 p. 2. MICHAELI W., GREIF H., KAUFMANN H., VOSSEBÜRGER Tecnologia dos Plásticos, Editora Edgard Blucher, 1995. 3. GROOVER, M. P. Fundamentos da Moderna Manufatura Versão SI. E-Book, Vol. 1, LTC, 2017. 444p. 4. Lokensgard, E. Plásticos Industriais. Teoria e Aplicações. Cengage CTP; 1ª Ed. 2013. 640 p. 5. Sors L.; Bardócz L.; Radnóti, I. Plásticos Moldes e Matrizes. Ed. Hemus, 2006. 500 p.5. BORESI, A. P.; SCHMIDT, R. J. Estática. Pioneira Thomson Learning, 2003. 43