ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS EM PEÇAS FUNDIDAS EM MOLDES DE AREIA VERDE COM LIGA DE ALUMÍNIO

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1 ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS EM PEÇAS FUNDIDAS EM MOLDES DE AREIA VERDE COM LIGA DE ALUMÍNIO Alex Sander Chaves Silva, 1 achaves@ufsj.edu.br Carvalho Carlos Aurélio da Silva 1 carlos2@ufsj.edu.br Durval Uchôas Braga, 1 durval@ufsj.edu.br Frederico Ozanan Neves 1 : fred@ufsj.edu.br 1 Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ Departamento de Engenharia Mecânica, Praça Frei Orlando, 170 São João Del Rei MG Brasil Resumo: O processo de fundição consiste basicamente, em encher com metal líquido a cavidade de um molde que pode ser destrutivo e feito em areia ou permanente e vazado de diferentes maneiras, cujas dimensões e formas correspondem às das peças a serem obtidas. O processo de fundição é um dos mais utilizados na fabricação de peças para os mais diversos setores: automotivo, agrícola, dentre outros. Embora as aplicações mais freqüentes da fundição estejam relacionadas com o uso de ferro fundido, a utilização de ligas de alumínio tem merecido uma maior atenção devido ao seu emprego nos mais variados tipos de peças. No processo de fundição são vários os fatores que interferem diretamente na qualidade de um produto fundido. E uma das causas de falhas prematura em peças fundidas são as tensões residuais. Neste projeto desenvolve-se uma metodologia para estudar as tensões residuais em peças fundidas em moldes de areia com ligas de alumínio. Inicialmente mediram-se as tensões residuais de peças fundidas com formatos em L e U. Sabe-se que no processo de fundição níveis de tensão residual são gerados pelo processo sendo estes medidos e comparados. Uma vez determinado os níveis de tensões residuais uma analise foi feita de modo a verificar à influência do formato da geometria da peças no processo de solidificação. A análise dos resultados observados foi realizada através de um método estatístico para as duas condições. Palavras-chave: Fundição, Tensões Residuais, Ligas de Alumínio 1. INTRODUÇÃO As indústrias mundiais estão em crescente busca de novas tecnologias com objetivo reduzir custos em todas as fases do processo de produção. Este avanço esta relacionado com o desenvolvimento de novos equipamentos e de projetos. A chave para compreender as características marcantes das atuais indústrias que buscam produzir produtos com alta qualidade e baixos custos esta em analisar o uso das diversas tecnologias e suas aplicações, assim como as transformações que elas imprimem. Porem o uso destas tecnologias requer conhecimentos, de modo a minimizar possíveis defeitos nas peças fabricadas que muitas vezes podem ser inerentes aos processos de fabricação. Um defeito que se tem constatado depois do processo de fabricação de componentes mecânicos são as tensões residuais. Tensões residuais são cargas que permanecem na peça quando todas as solicitações externas são removidas. Essas tensões podem aparecer em materiais submetidos a diferentes processamentos térmicos ou mecânicos (fundição, soldagem, laminação, forjamento, usinagem, dobramento, têmpera, etc.). Uma das principais causas de seu aparecimento é a ocorrência, ao longo de uma seção da peça, de deformação plástica não uniforme, o que pode ser causado por efeitos tanto mecânicos como térmicos. As tensoes residuais na fundiçao podem ser trativas ou compressivas devido à restriçao que o molde oferece, e pode trazer consequencias como fissura a quente. Para a prevenção da segurança e da capacidade de trabalho das diversas estruturas o conhecimento da magnitude dessas tensões residuais é de grande importancia. Uma das formas de minimizar essas tensões, é conhecer sua origem e os locais da peça onde elas se concentram. Algumas variáveis do processo influenciam o aparecimento das tensões residuais, dentre estas, será estudada geometria da peça. A fundição é um processo térmico que consiste em preencher um molde com um metal liquido. Durante a solidificação o metal se contrai, em alguns lugares da peça o liquido se solidifica mais rapidamente devido a diferença de temperatura entre o molde e o metal liquido porem é impedido de contrair perante a restrição que o molde oferece com essas tentativas de retração as tensões aparecem. Tais tensões geram fissuras na junção do corpo longitudinal com as extremidades e podem afetar de modo importante a utilidade e o desempenho da estrutura, sendo fundamental o conhecimento de suas características e de medidas para a sua prevenção e controle.

2 Neste projeto pretende-se desenvolver uma metodologia para estudar as tensões residuais em peças fundidas em moldes de areia com ligas de alumínio. Pretende-se inicialmente medir as tensões residuais de peças fundidas com formatos em L e U. Sabe-se que no processo de fundição níveis de tensão residual serão gerados pelo processo sendo estes medidos e comparados. Uma vez determinado os níveis de tensões residuais uma analise pode ser feita quanto à influência do formato da geometria da peças no processo de solidificação. 2. FUNDAMENTAÇÃO O processo de fundição é um dos mais utilizados na fabricação de peças para os mais diversos setores: automotivo, agrícola, dentre outros. Nesse processo são vários os fatores que interferem diretamente na qualidade de um produto fundido. E uma das causas de falhas prematura em peças fundidas são as tensões residuais. Vários trabalhos têm sido desenvolvidos, como forma de determinação das tensões residuais na fundição, utilizando métodos convencionais, como, difração de raios-x, método que exige equipamentos de alto custo, operadores especializados e instalações especiais. Além disso, a difração de raios-x é limitada pela geometria da peça em exame. Para este método exige-se que a superfície da peça em exame seja plana, o que não é o caso da imensa maioria dos elementos mecânicos. Uma das formas de se medir estas tensões em peças fundidas é o ensaio de indentação que é um método simples, barato e que exige menores custos, seja em equipamento e em qualificação de recursos humanos. Além disso, o equipamento necessário ao ensaio já está presente na maioria dos laboratórios de caracterização de materiais das indústrias manufatureiras e pode ser aplicado facilmente. Nesta pesquisa pretende-se checar qual a influência da geometria da peça com o nível de tensões residuais que o processo de fundição em moldes de areia com ligas de alumínio pode gerar num fundido. 3. PROCESSO DE ANÁLISE DAS TENSÕES RESIDUAIS EM PEÇA FUNDIDAS PELO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM AREIA EM LIGA DE ALUMÍNIO É sabido que a operação de fundição é caracterizada por um aquecimento, pelo qual o material fica sujeito a variações volumétricas localizadas, além de transformações microestruturais e mudança de propriedades. Uma analise das tensões residuais em peças fundidas se faz necessário. 3.1 Materiais - O material usado para o presente estudo foi alumínio silício. - Areia verde, caixas de madeira, água e aglomerantes 3.1 Métodos Fundição dos corpos de prova Em seguida foram fundidos vários corpos de prova utilizando o conhecimento prático de fundição, ou seja, os procedimentos de fundição desenvolvido no laboratório de fundição. Uma vez que os corpos de provas são fabricados, uma analise dos níveis de tensões residuais foram medidos. Esta analise tem como objetivo verificar o nível de tensões residuais gerados pelos processos de fundição. Obtidos estes valores uma analise comparativa foi realizada nos elementos fabricados e sendo feita uma relação da geometria do fundido e sua influência no nível de tensões residuais inseridos pelo processo de fundição. Corpos de prova Os corpos de prova foram confeccionados em alumínio. Foram divididos em 2 lotes, um lote de corpos de prova para a geometria em L e outro lote para a geometria em U. Os corpos de prova foram confeccionados no Laboratório de Fundição do Departamento de Mecânica da UFSJ (DEMEC), assim como a operação de fundição Medição das Tensões Residuais Inicialmente, esses corpos foram submetidos a lixamento e limpeza. O procedimento para análise de tensões residuais nas peças fundidas foi feito utilizando os ensaios de indentação Brinell sobre a superfície ilustradas nas fig. 1 e fig.2 das peças fundidas. O ensaio de indentação seguiu as normas da ASTM, especificamente a norma E10, de ensaio de dureza em metais. Segundo a norma, o aço ABNT 1020, deve ser ensaiado por uma esfera de aço de 2,5mm diâmetro, sob uma carga de 62,5 kgf. A figura 3 mostra os corpos já preparados para serem indentados.

3 Figura 1 - Corpo de prova em U preparado para ensaio de indentação. Figura 2 - Corpo de prova em L preparado para ensaio de indentação. 4. RESULTADO É sabido que o método mais usual de medir tensões residuais utiliza a difração de raios X. Porém uma nova técnica vem sendo estudada, a qual se baseia na aplicação do ensaio de indentação na peça. O conceito desse método é de que se existe tensão residual compressiva na superfície da peça, esta dificultará a penetração do indentador o que indica uma dureza maior na superfície da amostra. Segue-se daí que haverá uma superposição de tensões residuais no produto final, oriundas das diferentes fases da fabricação. O resultado final, em termos de tensões residuais, tanto pode aumentar a resistência do produto quanto reduzi-la e, até mesmo, não produzir efeito significativo. 4.1 Planejamento Experimental No estudo foi aplicado um planejamento experimental baseado em analise fatorial aleatorizado por níveis. As variáveis de influência são duas: (a) o tipo de corpo de prova, em dois níveis forma em L e U e (b) a posição da medida em 7 níveis para o corpo de prova em U e 5 níveis para o corpo de prova em L o detalhe das posições para os dois corpos de prova, são mostrados nas figura 1 e figura 2. Foram feitas três réplicas em cada ensaio.

4 A Tabela 1 mostra como se deu o planejamento experimental das peças fundidas. Tabela 1 Planejamento experimental Forma em U Forma em L Corpo de Prova P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 cp1 x x x x x x x cp2 x x x x x x x cp3 x x x x x x x cp1 x x x x x cp2 x x x x x cp3 x x x x x Os dados foram interpretados através de uma Análise da Variância (Anova), adotando-se o nível de significância de 5%. 4.2 Resultado e Discussão Este trabalho teve como objetivo analisar as tensões residuais existentes em componentes mecânicos fundidos no processo de fundição em areia, alguns procedimentos operacionais, temperatura do molde, compactação do molde como forma de minimizar tais efeitos em peças fabricadas especificamente com geometrias em L e em U. A partir de tais procedimentos operacionais, uma série de ensaios de indentação foram realizados para medir o nível de tensões nos referidos componentes de modo a verificar a influência da geometria do fundido com o nível de tensões residuais causas pelo processo de fundição. Os valores dos ensaios são apresentados na Tabela 2 Tabela 2 - Resultados de dureza Brinell Estado CP Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5 Medida 6 Medida 7 Forma em U Forma em L A Análise da Variância é mostrada na Tabela 3 Tabela 3 - Análise da Variância SS GL MSS Fcalc Ftab SST ,15 SSPosição 30541, ,19 0,74 2,99 SSlado 179, , ,01 3,89 Não influencia Não influencia SSerro 82262, ,20

5 SST: somatório total; SSPosição: somatório quadrado tratamento da variável posição; SSLado: somatório quadrado tratamento da variável lado ; SSErro: somatório do erro residual; SS: somatório quadrado; GL: graus de liberdade; MSS: média do somatório quadrado; Fcalc: valor F calculado; F(0,05%): valor de F tabelado a 95% significância; A partir dos valores da tabela 3 referentes as figuras 1 e 2 pode-se concluir que de acordo com a Análise da Variância não existe influência dos pontos de 1 a 7 na peça para a forma em U sobre as tensões residuais o mesmo pode se afirmar na forma em L para os pontos de 1 a5. Através da Anova pode-se comparar a tensão residual medida em cada lado da peça em U ou em L é que não há influência das tensões residuais. Através dos resultados obtidos analisou que a geometria da peça fundida não influenciou na tensão residual, visto que os locais onde foram feitas as medidas das tensões são os mesmos para ambas as peças, e a alimentação durante a fundição foi a mesma para ambas. 5. CONCLUSÕES Da analise e discussão dos resultados pode-se concluir que: independente da forma do fundido L ou U a dureza se manteve constante para fundição perpendicular a direção de vazamento Contudo chegou a conclusão que a geometria da peça seja em L ou em U gera tensões residuais que são idênticas independentes da forma, Outros testes se fazem necessários para uma melhor comprovação. Trabalhos futuros como quantificar se as tensões são trativas ou compressivas de modo a aumentar a vida útil do fundido mediantes aos esforços que estas peças sofrem em condições de trabalho. 6. REFERÊNCIAS Branco, C. M., Fernandes, A. A., De Castro, P. M. S. T., 1986, Fadiga de Estruturas Soldadas, Lisboa, Fundação Calouste Gulbenkian. Back, N., 1983, Metodologia de projeto de produtos industriais, ed. Guanabara Dois. Bralla, J. G.1986, Handbook of Product Design for Manufacturing - A Practical Guide for Low-Cost Prodution, New York: McGrw-Hill,. Dieter, G.E Engineering design. New York: McGraw-Hill. Fernandes, F. M. B., 2007/2008, Tensões residuais em tratamentos térmicos,universidade Nova de Lisboa- Faculdade de Ciências e Tecnologia, Lisboa,Portugal. Fernandes, J. L., 2002, Uma Metodologia para a Análise e Modelagem de Tensões Residuais, Tese de D. Sc., PUC, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Fonseca, M. da P. C., 2000, Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação Durante Ciclos de Fadiga Tese de D. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Fuoco, R., Exemplo de cálculo de sistemas de canais In: CINTEC FUNDIÇÃO, 2006, Joinville, 1 CD-ROM. Fuoco, R.; CORRÊA, R.E., 2006, Efeito do projeto de sistemas de canais na qualidade de peças fundidas por gravidade em ligas de alumínio, In: CINTEC FUNDIÇÃO,, Joinville, 1 CD-ROM. Koch, H., 2004, 31 Reasons to use Aluminium Castings, ABIFA, Revista Fundição & Matérias-Primas, Edição 60. Marco Filho, F., 2002, Propagação de Trincas de Fadiga em Juntas Soldadas Circunferências de Aço API Grau X-65 para Utilização em Risers Rígidos, Tese de D. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Moro, Noberto, 2007, Processos de fabricação, fundição, Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina gerência educacional de metal mecânica curso técnico de mecânica industrial, Florianopolis, SC, Brasil Rodrigues, L. D Medição de tensões residuais em tubos, visando a determinação de esforços em dutos enterrados, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro - PUC- Rio Rossitti, S. M. 1993, Processos e variáveis de fundição, Grupo metal 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no trabalho.

6 STUDY OF THE RESIDUAL STRESSES IN CASTING IN GREEN SAND MOLDS WITH ALUMINUM ALLOY Alex Sander Chaves Silva, 1 achaves@ufsj.edu.br Carvalho Carlos Aurélio da Silva 1 carlos2@ufsj.edu.br Durval Uchôas Braga, 1 durval@ufsj.edu.br Frederico Ozanan Neves 1 : fred@ufsj.edu.br 1 Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ Departamento de Engenharia Mecânica, Praça Frei Orlando, 170 São João Del Rei MG Brasil Abstract. The casting process consists basically, in fulling with liquid metal the socket of a mold that can destructive and be made in permanent and leaked sand or in different ways, whose dimensions and forms correspond to the ones of the parts to be gotten. The casting process is one of the most used in the manufacture of parts for the most diverse sectors: automotivo, agriculturist, amongst others. Although the applications most frequent of the casting are related with the use of casting iron, the use of aluminum alloys has deserved a bigger attention due to its job in the most varied types of parts. In the casting process the factors are several that intervene directly with the quality of a casting product. E one of the causes of imperfections premature in castings is the residual stresses. In this project a methodology is developed to study the residual stresses in castings in sand molds with aluminum alloys. Initially the residual stresses of castings with formats in L had measured and U. Knows that in the casting process levels of residual stresse these measured and compared are generated by the process being. A definitive time the levels of residual stresses one analyzes was made in order to verify to the influence of the format of the geometry of the parts in the solidification process. The analysis of the observed results was carried through through a statistical method for the two conditions. Keyword: Residual Stresses, Casting, Aluminum alloy