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Prof(a) Ma: Julietty Morais
E-mail:julietty@unifor.br
O canal de alimentação que leva o metal até o canal de ataque de um molde tem 
175 mm de comprimento. A área da seção transversal é 400 mm². A cavidade do 
molde tem volume = 0,001 m³. Determine (a) a velocidade do metal fundido na base 
do canal de alimentação, (b) a vazão do fluxo, e (c) o tempo necessário para 
preencher a cavidade do molde.
CÁLCULO DE SISTEMA DE VAZAMENTO
CÁLCULO DE SISTEMA DE VAZAMENTO
A vazão do metal líquido no canal de alimentação de um molde = 1 l/s. A área da
seção transversal no topo do canal = 800 mm2, e seu comprimento = 175 mm. Qual
deve ser a área na base do canal para evitar aspiração de ar do metal líquido?
SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO
SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO
SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO
SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO
SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO
Após o vazamento no molde, o metal fundido resfria e solidifica. Nessa seção
examinaremos o mecanismo físico da solidificação que ocorre durante a fundição.
Aspectos associados com a solidificação incluem o tempo para o metal solidificar,
contração de solidificação, solidificação direcional e projeto do massalote.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
A solidificação envolve a transformação do metal líquido novamente para o estado
sólido. O processo de solidificação difere se o metal for um elemento puro ou uma
liga.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Metais Puros: Um metal puro solidifica a uma temperatura constante, temperatura
de solidificação, que é igual à temperatura de fusão. O ponto de fusão de metais
puros é bem conhecido e documentado. O processo ocorre ao longo do tempo
como mostrado na Figura anterior, denominada curva de resfriamento. A
solidificação propriamente dita leva um tempo, chamado tempo de solidificação
local do fundido, durante o qual o calor latente de fusão é liberado para o molde. O
tempo de solidificação total é o tempo entre o vazamento e o fim da solidificação.
Após o fundido estar totalmente solidificado, o resfriamento continua a uma taxa
indicada pela inclinação da curva de resfriamento.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Por causa da extração de calor pela parede do molde, imediatamente após o
vazamento, é formada uma fina camada de metal sólido na interface com o molde.
A espessura da camada aumenta formando uma casca em volta do metal fundido à
medida que a solidificação progride em direção ao centro da cavidade. A velocidade
com que a solidificação avança depende da transferência de calor para o molde,
assim como das propriedades térmicas do molde.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
É de interesse examinar a formação dos grãos metálicos e seu crescimento durante
o processo de solidificação. O metal que forma a camada inicial foi de modo rápido
resfriado pela extração de calor por meio das paredes do molde. Esse resfriamento
causa a formação de grãos finos e aleatoriamente orientados na camada
solidificada. Com a continuação do resfriamento, grãos adicionais são formados e
crescem na direção contrária da transferência de calor.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
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. À medida que essas protuberâncias crescem, braços laterais são formados
e, com o crescimento desses braços, adicionais braços se formarão
perpendicularmente aos primeiros.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Esse tipo de crescimento é referido como crescimento dendrítico, e ocorre não
somente na solidificação de metais puros, mas também na solidificação de ligas.
Com o resfriamento, os espaços entre essas estruturas similares a árvores
(dendritas) são gradualmente preenchidos com metal adicional até que a
solidificação termine. Os grãos resultantes desse crescimento dendrítico assumem
uma orientação preferencial, tendendo a grãos colunares grosseiros alinhados na
direção do centro do fundido. A formação de grãos resultante é ilustrada na Figura
abaixo:
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Ligas metálicas: A maioria das ligas solidifica numa faixa de temperatura ao invés
de numa única temperatura. A faixa exata depende do sistema da liga e da
composição pretendida. Solidificação de uma liga pode ser explicada com a ajuda
da Figura abaixo, 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.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
O início da solidificação é similar ao que ocorre com o metal puro. Uma fina camada
sólida é formada na parede do molde devido ao grande gradiente de temperatura
nessa superfície. A solidificação então progride como anteriormente descrito, com a
formação de dendritas que crescem a partir das paredes do molde. Entretanto,
devido à diferença entre as temperaturas liquidus e solidus, a natureza do
crescimento dendrítico é tal que uma frente de solidificação é formada, na qual
metal sólido e metal líquido coexistem.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
A parte sólida é a estrutura dendrítica que foi formada e aprisionou pequenas ilhas
de metal líquido entre seus braços. A região de coexistência sólido-líquido tem uma
consistência macia, o que motivou ser chamada de zona pastosa. Dependendo das
condições de resfriamento, a zona pastosa pode ser relativamente estreita, ou ela
pode se estender por quase toda a peça fundida.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Essa última condição ocorre quando estão presentes fatores como baixa taxa de
transferência de calor do metal líquido e uma larga diferença entre as temperaturas
liquidus e solidus. De forma gradual, as ilhas de líquido da matriz dendrítica
solidificam à medida que a temperatura do fundido cai e se aproxima da
temperatura solidus da liga.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Outro aspecto que complica a solidificação de ligas é que a composição das
dendritas em seu início de formação é mais rica nos elementos de mais alta
temperatura de fusão. Com a continuação da solidificação e o crescimento
dendrítico, se desenvolve um desequilíbrio de composição química entre o metal já
solidificado e o metal fundido remanescente.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Esse desequilíbrio na composição está presente no produto fundido na forma de
segregação dos elementos químicos. A segregação pode ser de dois tipos,
microscópica e macroscópica. No nível microscópico, a composição química varia
de grão para grão individualmente. Isso é devido ao fato de que a protuberância
inicial de cada dendrita apresenta maior teor de um dos elementos de liga.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
À medida que as dendritas crescem, elas o fazem utilizando o metal líquido
remanescente que teve o teor do primeiro componente parcialmente reduzido. Ao
fim da solidificação, o último metal a solidificar é o que ficou retido entre os braços
das dendritas, e sua composição é ainda mais distante da composição nominal da
liga. Assim, teremos uma variação na composição química dentro de cada grão do
fundido.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
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. Assim, há uma segregação geral ao longo da seção transversal da
peça, algumas vezes denominada segregação de lingote, como ilustrado na Figura
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
FIGURA 5.5 Estrutura de grãos característica de uma liga 
fundida, mostrando segregação dos componentes de liga na 
região central do fundido
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
Ligas eutéticas: constituem uma exceção ao processo geral pelo qual as ligas
solidificam. A liga eutética é uma composição particular de um sistema de ligas no
qual a temperatura solidus é igual à temperatura liquidus. Assim, a solidificação
ocorre à temperaturaconstante (denominada temperatura eutética) em vez de se
dar num intervalo de temperatura. Exemplos de ligas eutéticas utilizadas em
fundição incluem ligas alumínio-silício (11,6% Si) e ferro fundido (4,3% C).
TEMPO DE SOLIDIFICAÇÃO
Independente de o fundido ser um metal puro ou liga, a solidificação leva um tempo.
O tempo total de solidificação é o tempo requerido para, após o vazamento, o
fundido solidificar. Esse tempo é dependente do tamanho e forma do fundido por
uma equação empírica conhecida como Regra de Chvorinov, que afirma:
Em que TTS = tempo total de solidificação, min; V = volume do fundido, cm3 (in3); A = 
área superficial do fundido, cm² (in²); n = exponencial, sendo usualmente utilizado o 
valor = 2; e Cm é a constante do molde. Considerando n = 2, a unidade de cm é 
min/cm² (min/in²)
A Regra de Chvorinov indica que uma peça fundida com maior razão volume/área
resfriará e solidificará de forma mais lenta que uma peça com menor razão. Esse
princípio é bastante utilizado no projeto de massalotes de um molde. Para atender à
função de alimentar com metal fundido a cavidade principal do molde, o metal no
massalote precisa permanecer no estado líquido mais tempo que a peça. Em outras
palavras, o TTS do massalote precisa ser maior que o TTS da peça principal. Uma vez
que as condições do molde são as mesmas para o massalote e a peça, a constante do
molde será igual. Projetando um massalote para que tenha maior razão volume/área,
estaremos seguros de que a peça solidificará primeiro e os efeitos de contração serão
minimizados.
TEMPO DE SOLIDIFICAÇÃO
CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO
A contração ocorre em três etapas: (1) contração do líquido durante o resfriamento 
antes da solidificação; (2) contração durante a transformação de fase do líquido 
para o sólido, denominada contração de solidificação; e (3) contração térmica do 
fundido solidificado durante seu resfriamento até a temperatura ambiente.
CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO
Na tabela estão apresentados valores de concentração linear típicos de diferentes
matérias.
Fabricantes de modelos levam em conta a contração térmica ao produzir cavidades de
moldes superdimensionadas. O quanto maior deve ser o molde relativo ao tamanho
final do fundido é chamado compensação do modelo para contração.
SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL
De modo a minimizar os efeitos nocivos da contração, é desejável que as regiões da
peça mais distantes do ponto de suprimento do metal liquido solidifiquem primeiro e a
solidificação progrida dessas regiões remotas até o(s) massalote(s).
O termo solidificação direcional é utilizado para descrever esse aspecto do processo
de solidificação e os métodos pelos quais pode ser controlado. A desejada
solidificação direcional é obtida seguindo a Regra de Chvorinov no projeto do fundido
propriamente dito, na sua posição no molde e no projeto do sistema de massalotes
que alimentarão a peça.
PROJETO DE MASSALOTES
Como descrito anteriormente, um massalote, é usado em moldes de fundição em
areia para alimentar a peça com metal liquido durante a solidificação, de forma a
compensar a contração de solidificação.
A Regra de Chvorinov pode ser empregada para calcular o tamanho do massalote
que satisfaça esse requisito.
O massalote representa desperdício de metal, pois será separado da peça fundida
e refundido para fabricar outras peças. É desejável que o volume de metal no
massalote seja o mínimo.
PROJETO DE MASSALOTES
Exemplo: Um massalote cilíndrico para um molde de fundição em areia deve ser 
projetado. A peça fundida é uma placa retangular em aço com dimensões 7,5cm X 
12,5cm X 2,0cm. Observações prévias indicaram que o tempo total de solidificação 
para essa peça é de 1,6min. O cilindro do massalote deverá ter uma razão 
diâmetro/altura=1. Determine as dimensões do massalote para que Tts deste seja de 
2min.