O arrefecimento de um metal, desde a sua temperatura de fusão até à temperatura ambiente é normalmente acompanhado por uma redução de volume significativa, que em fundição se designa por contração. Esta contração ocorre em três estágios diferentes, e assume designações diferentes: contração no estado líquido, contração de solidificação, e contração no estado sólido (Barbosa, J., 2003).
Em fundição, a contração de solidificação (contração que se verifica na mudança de estado líquido → sólido), é a mais difícil de controlar e a de maior amplitude, dependendo fundamentalmente do tipo de metal ou liga metálica. Na Tabela 4 apresentasse, o valor da contração de solidificação para vários materiais habitualmente processados por fundição (Barbosa, J., 2003).
Tabela 4 – Valores da contração de solidificação para vários metais e ligas metálicas. Ligas metálicas /metais Contração de solidificação (%)
Aços 7-10 Bronzes 4.5 Latões 6-7 Ligas de Alumínio 7-8 Zinco 4,7 Cobre 4,2
As principais consequências da contração volumétrica durante a solidificação e o arrefecimento são:
Fundido ficar com dimensões inferiores às da cavidade da moldação;
Aparecimento de cavidades internas, ou com ligação ao exterior, de dimensões variáveis, agrupadas ou disseminadas pelo fundido;
Formação de fissuras em algumas zonas dos fundidos.
sendo que estas características vão depender do tipo de metal ou liga metálica, das condições de arrefecimento e do tipo de moldação (Barbosa, J., 2003).
Os defeitos referidos têm origem em diferentes fases do processo de solidificação. A contração no estado sólido é responsável pelas dimensões finais das peças, podendo ainda ser
Revisão Bibliográfica 25 responsável por possíveis fissuras que surjam nas mesmas. A contração verificada na mudança de estado é responsável por defeitos de solidificação, como cavidades internas ou cavidades com ligação ao exterior, de dimensões consideráveis, e que habitualmente se designam por
rechupes. Saliente-se que estas cavidades não devem ser confundidas com porosidades que,
habitualmente são de muito pequena dimensão, ainda que visíveis a olho nu, mas que são, normalmente causadas pela libertação dos gases dissolvidos no metal, ou apenas inclusões não metálicas, como grãos de areia, escória ou partículas de material refratário (Barbosa, J., 2003).
Em geral as ligas de cobre (latão) apresentam uma contração líquida e de solidificação de 6% e que pode ser compensada com o uso de alimentadores.
Um exemplo prático consiste em considerar um volume de 100 cm3 de latão, que após solidificação teremos então menos 6 cm3 de volume, terminando com 94 cm3.
Portanto o alimentador deveria ter garantido cerca de 6 cm3 de metal líquido para alimentar esta contração. Isto atende a regra do requisito volumétrico de alimentação.
Existem outros métodos e modificações que podem auxiliar e complementar o uso de alimentadores, com o objetivo de eliminar os rechupes:
Insertos isolantes; Tinta isolante
Um processo de dimensionamento do sistema de alimentação mencionado em literatura é baseado na “Regra dos módulos”, em que se entende por módulo (Iberê, R., Duarte 2004):
Equação 4 Deste modo temos os seguintes módulos:
Módulo da peça (Mp) = Volume da peça (Vp) / Superfície da peça (Sp);
Módulo do pescoço (conexão entre alimentador e peça) (Mn) = Volume do pescoço (Vn) / Superfície do pescoço (Sn);
Módulo do alimentador (Mm) = Volume do alimentador (Vm) / Superfície do alimentador (Sm).
26 Capítulo 3 Em que deve ser estabelecida a seguinte relação entre eles:
Mm > Mn > Mp
Os passos a seguir neste cálculo são:
a) Calcular o módulo da peça (Mp) ou da parte mais espessa da peça onde vai ser colocado o
alimentador.
b)Calcular o módulo do alimentador (Mm):
Equação 5
K = 1,2 a 1,4
c)Calcular o diâmetro do alimentador (Dm), pela seguinte expressão:
Equação 6
P = 1,5 a 2,5
d)Calcular a altura do alimentador (Hm)
Equação 7
e)Por fim, calcular o módulo do pescoço
Equação 8
Espessura e largura = 4 x Mn
No projeto de coquilha, existe uma tendência de atribuir ao canal de enchimento a função suplementar de alimentador, com o objetivo de diminuir a massa dos gitos.
Nem todos os metais e ligas metálicas solidificam da mesma forma. Os metais puros solidificam a uma temperatura bem definida existindo uma fronteira bem demarcada entre as zonas sólida e líquida de uma peça. As ligas metálicas cujo intervalo de solidificação (diferença entre as temperaturas de início e fim de solidificação) é inferior a 40ºC têm o mesmo tipo de comportamento. No caso concreto de um fundido a solidificar, a solidificação avança desde a periferia para o centro da peça, em camadas bem definidas, e praticamente paralelas às paredes da moldação, existindo em qualquer momento uma fronteira líquido-sólido bem definida. No fim da solidificação, pode observar-se um rechupe à superfície do fundido (ver Figura 12) (Barbosa, J., 2003).
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Figura 12 – Representação de rechupe na superfície do fundido.
Este tipo de solidificação designa-se por solidificação em camada fina. Para além dos metais puros, apresentam este tipo de solidificação as seguintes ligas:
Aços com %C < 0,3; Latões 60/40;
Ligas de alumínio-silício com 10 <%Si <13; Ligas de cobre com %Cu> 98.
No método de solidificação intervém ainda a velocidade de arrefecimento. Para um determinado tipo de moldação, a velocidade de arrefecimento depende da temperatura a que se efetuou o vazamento, sendo tanto maior quanto mais elevada tiver sido a temperatura de vazamento. Para duas ligas com o mesmo intervalo de solidificação, mas temperaturas de fusão / vazamento diferente, aquela que é vazada a temperatura mais alta tem mais tendência para solidificar em camada fina. Esta é uma das razões pela qual as ligas leves têm mais tendência a solidificar em camada espessa que as ligas de cobre, por exemplo.
Da mesma maneira, uma liga vazada em coquilha metálica (velocidade de arrefecimento elevada), tem mais tendência a solidificar em camada fina, que a mesma liga quando vazada em moldação de areia.