PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PROCESSOS DE FABRICAÇÃO FUNDIÇÃO. PROCESSOS MECÂNICOS Aplicação de tensão. PROCESSOS METALÚRGICOS Aplicação de temperatura

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1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PROCESSOS MECÂNICOS Aplicação de tensão PROCESSOS METALÚRGICOS Aplicação de temperatura PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PROCESSOS METALÚRGICOS Conformação por Solidificação TEMPERATURA Conformação por Sinterização METALURGIA DO PÓ Materiais porosos Metal duro Materiais refratários FUNDIÇÃO CAMPOS FILHO, M.P. e DAVIES, G.J. Solidificação e fundição de metais e suas ligas. Livros Técnicos e Científicos e Editora da USP, CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo: ABM, 7ed., video institucional GARCIA, A. Solidificação, fundamentos e aplicações. Campinas, SP: Editora da Unicamp, AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Casting. Metals Handbook, Ohio: ASM International, Metals Park, 10ed., v.15,

2 FUNDIÇÃO O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal líquido num molde contendo uma cavidade na geometria desejada da peça final. O próprio molde retira calor do metal líquido provocando sua solidificação e fixando fundição sua forma final. Principal vantagem: Permite obter, de modo, econômico, peças de geometria complexa. Aplicações: Fofos, Al, Cu, Zn, Mg e suas ligas. Também os aços, porém podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidades zonamento e variação do tamanho de grão. Menor LR e ductilidade (conformação a quente). video DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe Fe 3 C Aços Ferros fundidos 2

3 A taxa de extração de calor através do molde, determina o tamanho final de grão, e portanto a resistência mecânica da peça. Classificação de acordo com 4 grupos básicos: a) Areia verde (molde é descartado) b) Moldagem e molde metálico: fundição em moldes permanentes e fundição sob pressão c) Fundição por centrifugação d) Fundição de precisão: cera perdida e fundição em casca (Shell Molding) FUNDIÇÃO Em duplas, escolher 01 artigo sobre Processos de Fundição Entregar o artigo e a apresentação impressa. Revista: Fundição & Serviços Processos em areia 3

4 a) Areia Verde (molde é descartável): a) Areia Verde (molde é descartável): É o processo mais simples e mais generalizado em fundição; Funde qualquer tipo de material; Fácil alteração de projeto na fundição macharia b) Moldagem em molde metálico: b1) fundição em moldes permanentes b2) fundição sob pressão 4

5 b1) fundição em moldes permanentes b) Moldagem em molde metálico: b1) fundição em moldes permanentes: Para fundir Al e Cu Fundição por gravidade Quando comparadas com as peças em areia verde: b) Moldagem em molde metálico: b1) fundição em moldes permanentes: Tem maior uniformidade Melhor acabamento superficial Tolerâncias dimensionais + estreitas Melhores propriedades mecânicas Formas muito complicadas dificultam o projeto e a sua extração do molde Alto custo do molde grandes séries 5

6 b2) fundição sob pressão: b) Moldagem em molde metálico: b1) fundição sob pressão: Devido à pressão (alta velocidade de enchimento), o processo possibilita a fabricação de peças de forma bastante complexa e de paredes + finas que os processos por gravidade P/ ligas com T f <T fcobre como Al e zamac Para dimensões limitadas: peso <5kg Alto custo (só para grandes produções) c) Fundição por centrifugação: Envolve a solidificação de metal num molde rotativo. A força centrífuga origina uma pressão além da gravidade, e força o metal líquido de encontro á parede do molde onde se solidifica. Ex.: fabricação de tubos de fofo para linhas de suprimento de água. 6

7 c) Fundição por centrifugação d) Fundição de precisão: b1) fundição em cera perdida b2) fundição em casca (Shell Molding) d) Fundição de precisão: b1) fundição em cera perdida: 7

8 Cera Massa refratária d) Fundição de precisão: b1) fundição em cera perdida: Tanto modelo como molde são inutilizados Produção em massa de peças de formas complicadas Maior precisão dimensional Produção peças acabadas (a liga não precisa ser de fácil usinagem) Dimensões e pesos limitados (<5kg) 8

9 d) Fundição de precisão: b2) fundição em casca (Shell Molding): Mistura de areia + resina (endurecida pelo calor) Sobre a superfície do modelo metálico Casca resistente e rígida Une as 2 metades por colagem Para peça de tamanho médio d) Fundição de precisão: b2) fundição em casca (Shell Molding): Manufacturing 9

10 FUNDIÇÃO - solidificação A solidificação se dará em 2 etapas sucessivas de: NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO. FUNDIÇÃO - solidificação Embrião: agrupamento momentâneo de átomos, num dado arranjo atômico (ccc, cfc, etc.) que pode se dissolver ou crescer. O líquido inicia a transformação em sólido quando atinge a temperatura de equilíbrio entre as duas fases, ou seja o ponto de fusão. FUNDIÇÃO - solidificação Curva típica de temperatura de resfriamento. O início da solidificação ocorre abaixo da Tf 10

11 FUNDIÇÃO - solidificação Embora se admita que o líquido inicia a transformação em sólido quando atinge a temperatura de equilíbrio entre as fases, ou seja o ponto de fusão, observa-se que o surgimento de partículas sólidas ocorre a temperaturas inferiores ( T). Porquê? FUNDIÇÃO - solidificação Trabalho para a próxima aula (individual e manual): Responda o questionamento e descreva os aspectos principais das 2 etapas (nucleação e crescimento). Especial atenção para: Figuras: 2.2; 2.5; 2.6; 2.7; 2.11 FUNDIÇÃO - solidificação O ponto de fusão também pode ser definido como a temperatura na qual as energias livres das duas fases são iguais. A essa temperatura, tanto o líquido quanto o sólido têm a mesma energia ou capacidade de realizar trabalho, ou seja: Gl = Gs 11

12 FUNDIÇÃO - solidificação No caso da solidificação a energia associada com a estrutura cristalina do sólido é menor do que a fase liquida. FUNDIÇÃO - solidificação A uma temperatura T abaixo de Tf, há um decréscimo de energia livre por conta da transformação de um determinado volume de líquido em sólido. FUNDIÇÃO - solidificação Essa diferença de energia entre o líquido e o sólido é a variação de energia livre por unidade de volume Gv e constitui a forca motriz da solidificação. 12

13 FUNDIÇÃO - solidificação Quanto maior o super-resfriamento térmico ( T), maior a força motriz da transformação líquido/sólido ( G). FUNDIÇÃO - solidificação Embora se admita que o líquido inicia a transformação em sólido quando atinge a temperatura de equilíbrio entre as fases, ou seja o ponto de fusão, observa-se que o surgimento de partículas sólidas ocorre a temperaturas inferiores ( T). SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Quando um agrupamento atômico arranja-se com ordenação cristalina para formar um embrião, forma-se também uma superfície que o separa do líquido desordenado. Associada a essa superfície existe uma energia livre positiva, o que conduz a um aumento da energia livre à medida que essa superfície cresce. 13

14 SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Quando um agrupamento atômico arranjase com ordenação cristalina para formar um embrião, forma-se também uma superfície que o separa do líquido desordenado. Associada a essa superfície existe uma energia livre positiva, o que conduz a um aumento da energia livre à medida que essa superfície cresce. O embrião só sobrevive se a energia livre total diminuir. SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Essa condição sugere que a nucleação possa se dar por meio da formação de embriões esféricos, já que essa forma geométrica é a que apresenta a menor relação superfície/volume, ou seja, a geometria mais indicada energeticamente para a sobrevivência do embrião. Nessas condições, a variação total de energia livre G será: G = Gv + Gs SOLIDIFICAÇÃO-nucleação G = Gv + Gs Gv = variação de energia livre associada ao volume; Gs = variação de energia livre associada à superfície; 14

15 SOLIDIFICAÇÃO-nucleação SOLIDIFICAÇÃO-nucleação G = G V + G S 4 3 T 2 G r L 4 r 3 T f SL G c é a energia de ativação que precisa ser alcançada para formar um núcleo estável de raio crítico r c. SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Se r < r c embriões diluem r > rc núcleos crescem Tudo o que ajudar na criação da interface, vai ajudar na solidificação Nucleação heterogênea 15

16 SOLIDIFICAÇÃO-nucleação SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Nucleação heterogênea SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Nucleação heterogênea As partículas usadas comercialmente como agentes nucleadores (INOCULANTES) apresentam uma dimensão cristalina semelhante à do sólido que vai nuclear. TiB 2 em ligas de alumínio TiC em aços Terras Raras em ferros fundidos 16

17 SOLIDIFICAÇÃO-nucleação Altas taxas de solidificação Dendritas + finas (quebram c/ agitação) Nucleação heterogênea + nucleantes + locais para nucleação + n grãos MAIOR RESISTÊNCIA SOLIDIFICAÇÃO-crescimento A maneira como este núcleo cresce vai determinar as propriedades do material fundido: Etapa de crescimento Normal : crescimento planar Invertido: crescimento c/ protuberâncias SOLIDIFICAÇÃO-crescimento DENDRITAS Dendritic solidification.mpg 17

18 SOLIDIFICAÇÃO-crescimento DENDRITAS Normal Invertido Mesmo com o gradiente normal há crescimento dendritico, devido ao super-resfriamento constitucional. SOLIDIF.-macroestrutura Peças ou lingotes SOLIDIF.-macroestrutura Depende da taxa de extração de calor e gradientes térmicos durante a solidif. 18

19 SOLIDIF.-exercício Qual lingote tem maior resistência mecânica? Porque?Explique o que ocorreu durante a solidificação. A B Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades Heterogeneidades químicas: segregações Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades A presença de poros pode ser causada por fenômenos diferentes: 1) contração de solidificação 2) presença de gases dissolvidos 19

20 Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação Ocorre um empacotamento dos átomos, formando estruturas ordenadas. densidade contração Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação Resultado da contração: Macroporosidades Microporosidades Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação: macroporosidades Vazio Metal líquido Inicia solifidif. da periferia para o meio Fim da solidif. Contração sólida 20

21 Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades Vazio A localização da macroporosidade depende do tipo de extração de calor sofrido pelo molde Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação: microporosidades 1a) Forma-se quando as dendritas da interface S/L são grandes, devendo veloc. resfriam Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação: microporosidades 1a) Forma-se quando as dendritas da interface S/L são grandes, devendo veloc. resfriam Há dificuldade do líquido em penetrar entre as dendritas, não compensando as contrações locais. 21

22 Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades 1) Contração de solidificação: microporosidades 1b) Frente de solidificação em ligas com grande intervalo de solidificação Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades físicas: porosidades Fenômenos durante a solidif. 2) Presença de gases dissolvidos Para evitar: Heterogeneidades físicas: porosidades É preciso introduzir elementos como Si, Mn, Al, pois o O prefere estes elementos ao C (CO e CO 2 ); assim serão formados óxidos e não gases. Borbulhar gases inertes no metal líquido arrastando os gases dissolvidos para fora da massa de metal 22

23 Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades químicas: segregações Distribuição heterogênea de elementos de liga e impurezas no material. Devido a falta de tempo para homogeneização da composição química ao longo do grão. Microsegregação (Zonamento) Macrosegregação (núcleo da peça + soluto) Segregação gravimétrica (grafita tem menor densidade flotação) Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades químicas: segregações Solidif. Equilíbrio (linhas L e S) Fenômenos durante a solidif. Heterogeneidades químicas: segregações Solidif. Equilíbrio Solidif. Não Equilíbrio (linhas L e S) 23

24 Fenômenos durante a solidif. O último sólido tem Tf menor liquação Heterogeneidades químicas: segregações Zonamento (dentro do grão) Pode ser agravada pelas Impurezas que se localizam nos c.d.g 24