Alimentadores

A função dos alimentadores só é bem entendida se se perceber o modo como o metal arrefece dentro da cavidade da moldação. O arrefecimento do metal líquido dá-se inicialmente na superfície de contacto entre a parede interna da moldação e o metal, avançando para o interior da peça, à medida que o metal da periferia arrefece e solidifica através da libertação de calor. A partir do momento em que a primeira camada exterior do metal fundido solidifica, a geometria da peça fica definida. O metal contido no interior vai compensando a contração do metal durante a solidificação, ou seja, à medida que cada camada é solidificada existe uma compensação de metal fundido da parte interior da peça em direção à camada solidificada. No final da solidificação existe uma parte da peça onde a contração não foi compensada, conhecida como rechupe, que consiste em um ou vários pontos onde não existe metal. Estes pontos são normalmente correspondentes aos pontos quentes, ou seja, os pontos que solidificaram em último lugar. Os gitos de alimentação, que são ligados à peça em zonas onde é previsível a ocorrência de rechupes, têm a principal e importante função de compensar a contração durante a fase final do arrefecimento (Ferreira 1999; Duarte 2014).

O problema de porosidade de contração pode ser resolvido através do controlo padrão de solidificação e de gradientes térmicos para que os vazios fiquem fora da geometria da peça vazada. Para além disso liga-se à peça reservatórios que serão cheios com metal fundido durante todo o processo de solidificação da peça, para que estes possam abastecer as pontes onde existe falta de material. Estes reservatórios são então os alimentadores (Ferreira 1999).

Um ponto importante a ter em conta é o tempo de solidificação de uma peça metálica vazada numa moldação metálica. Segundo (Ferreira 1999), o tempo de solidificação pode ser calculado pela regra de Chvorinov:

𝑡 = 𝐾𝑐 (𝑣 𝑠) 2 Em que: 𝐾𝑐 = [𝜌´ × √𝜋𝛼𝑀𝑜𝑙𝑑 × [𝐶´𝑒(𝑇𝑣 − 𝑇𝑙) + 𝐶𝑙] 2𝐾𝑚𝑜𝑙𝑑(𝑇𝑖𝑚 − 𝑇0 ] 2 Onde:

Kc – Constante característica da liga, do sobreaquecimento e do material da moldação V – Volume da peça

S – Superfície da peça em contacto com a superfície de extração de calor ρ´ - Massa específica do metal

αmold – Difusividade térmica da moldação C´e – Calor especifico do metal vazado

Tl – Temperatura de início de solidificação do metal Cl – Calor latente de fusão do metal

Kmold – Condutibilidade térmica da moldação Tim – Temperatura da interface metal/moldação T0 – Temperatura inicial da moldação

Através da aplicação da regra de Chvorinov à peça e aos alimentadores a ela ligados é possível determinar qual deles solidifica em primeiro lugar, permitindo assim perceber se o metal líquido contido no alimentador se encontra neste estado até ao final da solidificação da peça, fazendo com que alimentação seja eficaz.

Pode-se então dizer que o alimentador só é eficaz se o tempo de solidificação do alimentador for superior ao tempo de solidificação da peça vazada (Ferreira 1999):

𝑡𝑎𝑙 > 𝑡𝑝

Segundo (Ferreira 1999) existem dois tipos básicos de alimentadores: Alimentador de topo ou atmosférico;

Alimentador cego.

O alimentador de topo ou atmosférico está situado numa cota superior à da peça e a superfície encontra-se em contacto com a atmosfera. Este alimentador pode ser coberto por um material isolante para que a superfície permaneça líquida para que o metal escoe para a peça, não só através da gravidade, mas também através da pressão atmosférica.

O alimentador cego é totalmente embebido na moldação. Para aumentar a eficácia deste alimentador, insere-se no topo um macho poroso que permite o contacto do metal com a atmosfera. O vácuo criado no interior da peça através da contração metálica também ajuda a aumentar a eficácia deste alimentador.

A forma esférica é a forma ideal para um alimentador pois garante um maior tempo de solidificação pois o módulo de arrefecimento do alimentador M=V/S tem o seu valor maior no caso de uma esfera pois esta apresenta a menor superfície para o volume envolvido. Para moldações permanentes onde o plano de apartação é vertical é fácil obter este tipo de geometria (Ferreira 1999).

A localização dos alimentadores é também importante e para determinar o local deve-se ter em conta o conceito de solidificação direcional. Para evitar o aparecimento de rechupes, a solidificação deve ser direcional, começando nos pontos da peça mais afastados do alimentador, de seguida os pontos intermédios da peça e por fim, no alimentador, onde o último metal a solidificar se deve encontrar (International 2009; Ravi 2005).

O dimensionamento dos alimentadores, de acordo com (International 1998; Ferreira 1999) pode ser realizado através do método dos módulos. Este método baseia-se na regra de Chvorinov. A

equação de Chvorinov foi simplificada por Wlodawer que relativizou a variável tempo pois o interesse deste método consiste essencialmente na comparação entre os tempos de solidificação do alimentador e da peça.

Por isso:

𝑡~𝑉/𝐴 Onde:

V – Volume

A – Area de transferência de calor t – Tempo de solidificação

O módulo de arrefecimento é proporcional ao tempo de solidificação. Quanto maior for o módulo de arrefecimento maior irá ser o tempo de solidificação. Então é necessário garantir que o módulo de arrefecimento do alimentador seja superior ao módulo de solidificação da peça vazada. Se isto for garantido então o tempo de solidificação dos alimentadores será superior ao tempo de solidificação da peça vazada.

Para calcular o módulo de arrefecimento do alimentador é necessário estabelecer um coeficiente de segurança. Este coeficiente depende do metal a vazar.

Segundo (Ferreira 1999) os coeficientes de segurança são apresentadas na Tabela 35.

Tabela 35 – Coeficientes de segurança (Ferreira 1999)

Metal Coef.

Segurança (k)

Ferro fundido de alta resistência 1.0 – 1.2

Ferro fundido perlítico normal 0.8 – 1.0

Ferro fundido para lingoteiras 0.6 – 0.8

Ferro fundido maleável 1.4

Ferro fundido esferoidal 1.4

Aço 1.2

Níquel, cupro-niquél, metal monel e cupro-aluminio 1.4

Cobre, bronzes, latão 70/30 e 60/40 1.2

Latão de alta resistência 1.4

O cálculo do módulo de arrefecimento do alimentador é então feito através da seguinte fórmula (Ferreira 1999; Ravi 2005):

𝑀𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟= 𝑘 × 𝑀𝑝𝑒ç𝑎