INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM PEÇAS DE ALUMÍNIO: SIMULAÇÃO NUMÉRICA VS. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

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1 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ENCHIMENTO SOBRE A FORMAÇÃO DE DEFEITOS EM PEÇAS DE ALUMÍNIO: SIMULAÇÃO NUMÉRICA VS. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Verran, G. O. (1); Rebello, M.A. (2); Oliveira, C. G. (1) Dr. Eng. DEM-CCT/UDESC; CTMa/IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil dem2gov@joinville.udesc.br ; guilherme@sociesc.com.br (2) Msc. Eng. IST-SOCIESC, Joinville/SC, Brasil rebello@sociesc.com.br (3) Eng. Mec. Ind. de Fundição Tupy, Joinville/SC, Brasil cargomes@tupy.com.br Resumo A utilização da simulação numérica como ferramenta de trabalho na engenharia de fundição está apresentando uma utilização crescente e cada vez mais eficiente na otimização de projetos e processos, entretanto até o presente existem poucos estudos relacionados com a avaliação da eficiência destes softwares em fundição sob pressão, onde os eventos enchimento da cavidade e solidificação da peça ocorrem sob condições totalmente diferentes daquelas encontradas nos processos por gravidade. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre os resultados da simulação do enchimento de uma peça fundida sob pressão usando a liga Al9Si3Cu, com as peças obtidas experimentalmente usando as mesmas condições de processamento. Foram obtidos diferentes lotes de peças usando velocidades distintas, com o objetivo de provocar a ocorrência de defeitos tipo solda fria e porosidades. A comparação entre os resultados obtidos nas simulações e as peças fundidas mostrou resultados que confirmam a capacidade do software de indicar a possível ocorrência de defeitos em função dos parâmetros de processo utilizados. Palavras chave: Fundição sob pressão, Simulação, Enchimento, Defeitos, Solda Fria. Abstract - Despite the increasing use of numerical simulation of general casting problems, and its well known efficiency, at the present it still exist relatively few studies on the efficiency of numerical methods to simulate pressure casting. In such processes, the events associated with the filling front and solidification take place under markedly different conditions from those found in gravity casting. This work presents a comparison between experimental and numerical results of pressure casting of Al6Si3Cu under the same conditions. Simulation was performed for several filling velocities in order to create conditions of defects to occur, such as cold shut and pin holes. The results show that, for the pressure casting conditions used, the software was able to predict correctly the occurrence of defects. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42201

2 Key-words: Pressure Die Casting, Simulation, Filling, Defects, Cold Shuts. 1. Introdução Na simulação da fundição sob pressão tem-se uma prévia do comportamento do metal fundido desde o preenchimento até a sua completa solidificação e extração, incluindo condições de ciclo, tais como tempo de abertura e fechamento do molde, tempo para extração e limpeza, número de ciclos e etc. Mas para que esta simulação corresponda ao que se passa em condições reais, o software de CAE deve estar apoiado em equações e leis que regem todos os fenômenos envolvidos no processo, e desta forma as equações são resolvidas de acordo com as condições de contorno que o operador impõe, tais como a geometria da peça e os parâmetros de fundição. Pode-se afirmar então que tanto melhor será o software de simulação quanto mais a solução numérica, fornecida na simulação, se aproximar da solução analítica das equações fundamentais [1]. Esta diferença se dá devido a complexidade das equações fundamentais, fazendo-se necessário algumas aproximações e simplificações, que dependendo da situação podem comprometer os resultados da simulação em questão. Na fundição sob pressão a concepção da câmara de injeção e o mecanismo de alimentação da mesma, fazem com que quando ocorre o disparo boa quantidade de ar seja forçada para dentro da cavidade, o que além de tornar a regime mais turbulento, contribui para o aparecimento de porosidades. Alguns trabalhos têm sugerido a mudança desta concepção, propondo formas alternativas para a alimentação da câmara de injeção de forma não turbulenta [1]. A alta complexidade da cavidade favorece o regime turbulento de preenchimento do molde, que pode ser amenizada com o posicionamento adequado dos canais de ataque, além de um perfil apropriado da zona de ataque, conforme estudo anterior [2]. A velocidade de injeção atua diretamente na forma de escoamento dentro da cavidade e indiretamente promove, de forma branda, a redução da viscosidade da liga, pois quando o metal é transferido da câmara de injeção para a cavidade é forçado a passar pelo ataque, e nesse ponto o fluxo metálico é acelerado violentamente, promovendo o aquecimento do metal líquido em função do forte cisalhamento. Birch [3] demonstrou que a velocidade no ataque não interfere no volume de porosidade, mas sim no tamanho e distribuição dos poros. Ou seja, o aumento da velocidade no ataque reduz o tamanho do poro e provoca sua dispersão dentro da peça. O tempo de injeção juntamente com a velocidade de ataque, servem como ponto de partida para o cálculo de outros parâmetros, uma vez que interfere diretamente na temperatura da frente de enchimento, pois maiores tempos implicam em maior extração de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42202

3 calor do metal líquido e conseqüente redução de sua temperatura levando a incidência de solda fria [4,5]. Neste trabalho é proposto um estudo sobre a influência da velocidade de injeção sobre a incidência de defeitos tipo solda e porosidade, usando como ferramentas a observação experimental e a simulação via um software de CAE. 2. Metodologia No desenvolvimento experimental foi utilizada uma peça com características adequadas ao processo de fundição sob pressão, injetada usando uma máquina com recursos para controle de parâmetros de processo, de forma a alimentar o software e tentar simular as mesmas condições. A peça escolhida, em liga AlSi9Cu3, possui massa de 1,05 kg e dimensões conforme a Figura Espessura de paredes e nervuras: 3,0 mm mm Figura 1: Peça usada no estudo. As amostras foram fundidas em injetora de câmara fria com força de fechamento de 850 toneladas força, a temperatura do metal líquido no forno de espera se encontrava a 670 C e a alimentação da câmara de injeção foi feita por braço mecânico. Foram injetadas algumas peças, para aquecimento do molde, e a cada ciclo, a temperatura na superfície da cavidade foi aferida através de um pirômetro a laser, segundos antes do fechamento do molde, até atingir a temperatura de regime de trabalho em 255 C, na superfície da cavidade. As amostras foram produzidas em 4 lotes de 5 peças, sendo cada lote, com variações na velocidade de injeção, tendo sido utilizadas velocidades de 1,05 1,75 2,45 e 3,15 m/s. A peça mais representativa de cada lote de cinco peças foi fotografada e também submetida ao exame de raio X de modo a evidenciar, respectivamente, os defeitos de solda fria e porosidade. Para análise dos resultados foram realizados mapeamentos das regiões com incidência de defeitos tipo solda fria. Para a simulação os dados de processo foram alimentados no módulo HPDC (high pressure die casting) do Magmasoft, onde foi construída uma malha com elementos usando um tempo de processamento numérico de s para cada simulação. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42203

4 Para dar mais fidelidade às condições de processo, 8 pontos do molde foram estrategicamente escolhidos para o controle da temperatura. Assim, para colocar o molde em temperatura de regime de trabalho, foram necessários 5 ciclos usando cada condição de velocidade. 3. Resultados e Discussão Os resultados da simulação são apresentados na forma de evolução do enchimento para as velocidades de 1,05 e 3,15m/s, na figura 2. Enchimento: 52 % Enchimento: 64 % Enchimento: 70 % (a) V injeção = 1,05 m/s (a) V injeção = 3,15 m/s Figura 2: Evolução do enchimento da cavidade para diferentes velocidades de injeção, evidenciando as diferentes temperaturas na frente de enchimento. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42204

5 A análise destas seqüências de enchimento mostra que para o uso de uma menor velocidade de injeção ocorreu um resfriamento acentuado na frente de avanço do metal, sendo que para 52% de enchimento já se observa a ocorrência de temperaturas inferiores à temperatura líquidus da liga em estudo, no caso a liga Al9Si3Cu que apresenta T liquidus de aproximadamente C, indicando uma maior possibilidade de ocorrência do defeito tipo solda fria em comparação com o comportamento apresentado para o uso de maior velocidade de injeção. A figura 3 apresenta graficamente a distribuição de temperaturas nas frentes de enchimento para as velocidades de injeção de 1,05 e 3,15 m/s, onde são representadas as temperaturas mínima e máxima observadas na frente a cada estágio do enchimento. 630 Temperatura da Frente de Enchimento ( 0 C) V= 1,75m/s V = 3,15m/s Tliquidus % de Enchimento Figura 3: Variação na temperatura da frente de enchimento para diferentes velocidades de injeção. O gráfico de Fig. 3 confirma a ocorrência de temperaturas inferiores à temperatura liquidus da liga em estudo para a velocidade de injecão igual a 1,05m/s a partir de 52% de enchimento, e mostra que a partir de 64% do enchimento a frente encontrava- se na sua CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42205

6 totalidade abaixo da temperatura liquidus, enquanto que na condição onde foi utilizada velocidade de injeção máxima (3,15m/s) a partir de 64% do enchimento começam a ocorrer temperatura inferiores à líquidus na frente de enchimento, entretanto a maior parte desta frente permanecia a temperaturas superiores à liquidus. A figura 04 mostra ampliações da frente de enchimento para o uso da velocidade de injeção de 1,05 m/s para 52% do enchimento (figura 4.a), onde fica evidenciada a coexistência de temperaturas inferiores e superiores à liquidus ao longo da frente de enchimento, enquanto que para 70% do enchimento (figura 4.b) praticamente toda a frente apresenta temperaturas inferiores à liquidus, indicando a existência de uma grande quantidade de material no estado semi-sólido, aumentando a tendência para o surgimento de solda fria. Temperatura Liquidus (a) (b) Figura 4: Detalhe ampliado de estágios do enchimento para a velocidade de injeção de 1,05 m/s, (a) 52% do enchimento, (b) 70% do enchimento. Estas variações nas distribuições de temperaturas ao longo das frentes de enchimento estão diretamente relacionadas com os maiores tempos necessários para o enchimento a medida que a velocidade de injeção diminui, conforme mostra o gráfico da figura 5, onde observa se um significativo acréscimo no tempo de enchimento para a velocidade de injeção igual a 1,05 m/s. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42206

7 3,6 Tempo de Enchimento (s) 3,55 3,5 3,45 3,4 3,35 V = 1,05 m/s V = 1,75 m/s V = 3,15 m/s 3, % de Enchimento Figura 5: Tempo de enchimento em função da velocidade de injeção. De um modo geral, os resultados das corridas experimentais confirmaram as observações obtidas através das simulações. As figuras 6 e 7 mostram a representação da peça e dos pontos relativos às regiões críticas quanto a possibilidade de ocorrência de solda fria em função dos resultados da simulação. A figura 06 corresponde a uma peça fundida com velocidade de injeção igual a 1,05 m/s, mostrando a ocorrência de solda fria em todas as regiões mapeadas, o que confirma as previsões obtidas nas simulações. Nas peças injetadas com velocidade de 1,75 m/s (figura 7) também foi observada a ocorrência de solda fria em diversas regiões da peça, porém com incidência inferior às peças injetadas com menor velocidade, o que também está em concordância com o comportamento da frente de enchimento durante as simulações. As peças obtidas com velocidade de injeção igual a 3,15 m/s não apresentaram nenhuma ocorrência de solda fria, indicando que esta velocidade é adequada para a obtenção da peça em estudo. Estes resultados também estão de acordo com as observações feitas nas simulações, confirmando a eficiência do software utilizado na análise do enchimento de peças fundidas sob pressão. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42207

8 c a b d e f a b c a b c d e f Figura 6: Representação da peça mostrando o mapeamento das regiões críticas e detalhamento das mesmas para velocidades de injeção 1,05 m/s. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42208

9 a b c d e f Figura 7: Detalhamento da peça injetada com velocidade 1,75 m/s mostrando a ocorrência de solda fria nas regiões críticas. Outras publicações [6-9] apresentam com mais detalhe os resultados obtidos nesta linha de pesquisa. 4. Conclusões Embora o software não precise o local de ocorrência dos defeitos oriundos da fase de enchimento da peça, ele mostra a distribuição de temperaturas e perfil da frente metálica durante o enchimento. De posse dessas informações pode-se compor uma análise das possíveis regiões com incidência de defeitos de solda fria, sendo que a comparação entre os resultados experimentais e os simulados mostrou boa concordância para as condições testadas neste trabalho. No presente trabalho a incidência de solda fria aumentou em função da redução na velocidade de injeção, o que pode ser atribuído ao aumento no tempo de enchimento e ao CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42209

10 conseqüente resfriamento da frente no decorrer do enchimento, levando a ocorrência de temperaturas inferiores à temperatura liquidus da liga em estudo. 5. Agradecimentos Os autores agradecem à Magma Engenharia do Brasil pela disponibilização do software para a realização das simulações, à Wetzel Divisão Alumínio pela contribuição na execução das experiências e ao CNPq pela bolsa PIBIC concedida. 6. Referências [1] KEIL E., KOCH P., Processo del Fundir a Presión, Uzwill, Suiza,Información Técnica 6, Julio, 1979, Buhler Hermanos S.A. [2] BARKHUDAROV, M.; WILLIAMS, K. Simulation of Surface Turbulence Fluid Phenomena During Mold Filling. AFS Transactions, 1995, p [3] BIRCH, Jim ; Porosity in Pressure Diecastings, Diecasting World, March, 1999, p [4]TSENG, C. H. E.; ASKELAND, D. R. Study of the EPC Mold Filling Process Using Metal Velocity and Mass and Energy Balances. AFS Transactions, 1992,p [5] SWAMINATHAN, C. R.; VOLLER, V. R. A Time-Implicit Filling Algorithm. Appl. Math. Modelling Vol. 18. February [6] REBELLO, M.A. O Uso de Análise via CAE na Fundição sob Pressão de Ligas de Alumínio", Dissertação de Mestrado, 2000, 85p. [7] VERRAN, G. O., REBELLO, M. A., OLIVEIRA, C. G. Simulação da Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio - Parte II: Estudo Experimental De Uma Peça Representativa. Anais do SULMAT 2000, , [8] VERRAN, G. O., REBELLO, M. A., OLIVEIRA, C. G. Simulação da Fundição Sob Pressão de Ligas de Alumínio - Parte I: Estudo do enchimento de peças de geometria simples. Anais do SULMAT 2000, Joinville, , [9] REBELLO, M.A., VERRAN, G.O., OLIVEIRA, C.G. A utilização de recursos computacionais na análise da fundição de peças. Revista do IST, 23-32, V1(2), julho CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 42210