FUNDIÇÃO. 1-Introdução

Transcrição

1 1 FUNDIÇÃO 1-Introdução Os processos de transformação dos metais e ligas metálicas em peças para utilização em conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: você pode fundir, conformar mecanicamente, saldar, utilizar a metalurgia do pó e usinar o metal e, assim, obter a peça desejada. Evidentemente, vários fatores devem ser considerados quando se escolhe o processo de fabricação. Como exemplo, podemos lembrar: o formato da peça, as exigências de uso, o material a ser empregado, a quantidade de peças que devem ser produzidas, o tipo de acabamento desejado, e assim por diante. Dentre essas várias maneiras de trabalhar o material metálico, a fundição se destaca, não só por ser um dos processos mais antigos, mas também porque é um dos mais versáteis, principalmente quando se considera os diferentes formatos e tamanhos das peças que se pode produzir por esse processo. Mas, afinal, o que é fundição? É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada. A fundição é um processo de fabricação inicial, porque permite a obtenção de peças com formas praticamente definitivas, com mínimas limitações de tamanho, formato e complexidade, e também é o processo pelo qual se fabricam os lingotes. É a partir do lingote que se realizam os processos de conformação mecânica para a obtenção de chapas, placas, perfis etc. A palavra fundição é usada para o processo enquanto o produto denomina-se fundido. O processo de fundição é a manufatura de objetos metálicos (fundidos) fundindo o metal, vertendo este no molde (caixa de areia), e permitindo o metal fundido se solidificar como um fundido cuja forma é uma reprodução da cavidade do molde (caixa de areia). Este processo é realizado em fundições, que podem ser de materiais ferrosos ou não-ferrosos. Sempre que se fala em fundição, as pessoas logo pensam em ferro. Mas esse processo não se restringe só ao ferro, não. Ele pode ser empregado com os mais variados tipos de ligas metálicas, desde que elas apresentem as propriedades adequadas a esse processo, como por exemplo, temperatura de fusão e fluidez. A indústria de fundição é muito difundida e encontra-se entre as seis maiores nos Estados Unidos porque possibilita a produção peças complicadas. Exemplos: acessórios de tubulações, peças de um forno, bloco do motor de automóveis e aviões, pistões, anéis dos pistões, bases de máquina ferramenta, rodas, e eixos de manivela. No começo da idade do metal, o conhecimento humano não estava avançado o suficiente para conseguir altas temperaturas para produzir metal fundido. Então, a fundição não era conhecida e os metais eram usados como eram encontrados na natureza ou aquecidos suavemente e trabalhados. Os produtos

2 2 daquela era são exemplificados pelo pendente de cobre encontrado na caverna de Shanidar (nordeste do Iraque) que data de 9500 a.c. e que foi moldado martelando um pedaço de metal no seu estado natural e dando acabamento com abrasivos. Depois, técnicas de fundição de cobre foram desenvolvidas, e foram produzidos moldes de cobre na Mesopotâmia já em 3000 anos antes de cristo. A fundição começou a ser usada pelo homem mais ou menos uns 3000 A.C. Fundiu-se primeiro o cobre, depois o bronze, e, mais recentemente, o ferro, por causa da dificuldade em alcançar as temperaturas necessárias para a realização do processo. A arte cerâmica contribuiu bastante para isso, pois gerou as técnicas básicas para a execução dos moldes e para o uso controlado do calor já que, forneceu os materiais refratários para a construção de fornos e cadinhos. A arte da fundição era então refinada pelos egípcios antigos que inovaram o processo de modelação em cera perdida. Durante a Idade do Bronze, a prática de fundição floresceu na China onde foram produzidas peças fundidas de alta qualidade com formas complicadas. O chinês desenvolveu certas ligas de bronze e dominou o processo de cera perdida durante a Dinastia de Shang. Mais tarde, aquela arte se difundiu para o Japão com a introdução do Budismo no sexto século. Também havia algumas realizações significantes no Oeste, onde o Colosso de Rhodes - uma estátua do Deus grego Apollo que pesava 360 tonsfoi considerada um das Sete Maravilhas do Mundo. Aquela estátua de bronze foi fundida em seções, que depois foram agrupadas, e tinha 31 metros de altura. Embora o ferro fosse conhecido no Egito já em 4000 A.C., o uso do ferro fundido era impossível devido à alta temperatura de fundição, e a falta de vasilhas de cerâmica (cadinho) capazes de conter o ferro fundido. A idade do ferro fundido chegou finalmente em 1340, quando o forno de fluxo foi construído em Marche-Les- Dames na Bélgica. Era capaz de produzir um volume contínuo de ferro fundido. A prática de fundição de materiais ferrosos desenvolveu mais adiante com a invenção do forno de cúpula por John Wilkenson na Inglaterra. Isto foi seguido pela produção de ferro maleável em 1826 por Seth Boyden e o desenvolvimento da metalografia por Henry Sorby da Inglaterra. Sem dúvida, as descobertas da Revolução Industrial, como os fornos Cubilô, os fornos elétricos, e a mecanização do processo, muito contribuíram para o desenvolvimento da fundição do ferro e, consequentemente, do aço. A maioria dos equipamentos de fundição foi concebida basicamente nesse período, quando surgiram também os vários métodos de fundição centrífuga. Ao século XX coube a tarefa de aperfeiçoar tudo isso. A relação entre as propriedades e a microestrutura das ligas foram entendidas. O controle completo do processo de fundição ficou possível baseado no conhecimento e controle da microestrutura. No entanto, os processos de conformação tiveram um desenvolvimento mais rápido do que a fundição porque as ligas forjadas tinham um desempenho melhor e um campo mais largo de aplicações. O ferro nodular, que possui a

3 3 fundibilidade do ferro fundido e a resistência ao impacto do aço, foi introduzido em 1948, e favoreceu a difusão do ferro para competir mais favoravelmente com ligas forjadas. 2 - Fenômenos que ocorrem durante a solidificação Esses fenômenos são : cristalização, contração de volume, concentração de impurezas e desprendimento de gases. 2.1 Cristalização Essa particularidade dos metais, durante sua solidificação, já foi estudada, sob o ponto de vista geral. Consiste, como se viu, no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como "núcleos" para o posterior desenvolvimento ou "crescimento" dos cristais, dando, finalmente, origem aos grãos definitivos e à "estrutura granular" típica dos metais. Esse crescimento dos cristais não se dá, na realidade, de maneira uniforme, ou seja, a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções, variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos; além disso, no interior dos moldes, o crescimento é limitado pelas paredes destes. Como resultado, os núcleos metálicos e os grãos cristalinos originados adquirem os aspectos representados na Figura 1. A Figura 1(a) mostra o desenvolvimento e a expansão de cada núcleo de cristalização, originando uru tipo de cristal que poderia ser assimilado a uma árvore com seus ramos; a esse tipo de cristal dá-se o nome de dendrita.

4 4 As dendritas formam-se em quantidades cada vez maiores até se encontrarem; o seu crescimento é, então, impedido pelo encontro das dendritas vizinhas, originando-se os grãos e os contornos de grãos, que delimitam cada grão cristalino, formando a massa sólida. A Figura 1(b) mostra o caso particular da solidificação de um metal no interior de um molde metálico, de forma prismática, chamado lingote, o qual vai originar uma peça fundida chamada lingote. Nesse caso, a solidificação tem inicio nas paredes comas quais o metal líquido entra imediatamente em contato; os cristais formados e em crescimento sofrem a interferência das paredes do molde e dos cristais vizinhos, de modo que eles tendem a crescer mais rapidamente na direção perpendicular às paredes do molde. Origina-se, então, uma estrutura colunar típica, até uma determinada profundidade, como a Figura 1(b) mostra, e que pode, nos cantos, produzir efeitos indesejáveis - Figura 1(c) - devido a grupos colunares de cristais, crescendo de paredes contíguas, se encontrarem segundo planos diagonais. Os efeitos indesejáveis resultam do fato de essas diagonais constituírem planos de maior fragilidade de modo que, durante a operação de conformação mecânica a que essas peças são submetidas posteriormente - como laminação - podem surgir fissuras que inutilizam o material. Esse inconveniente é evitado arredondando-se os cantos 2.2 Contração de volume Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. Na realidade, do estado líquido ao sólido, três contrações são verificadas : - contração líquida - correspondente ao abaixamento da temperatura até o início da solidificação; - contração de solidificação - correspondente à variação de volume que ocorre durante a mudança do estado líquido para o sólido; - contração sólida - correspondente à variação de volume que ocorre já no estado sólido, desde a temperatura de fim de solidificação até a temperatura ambiente. A contração é expressa em porcentagem de volume. No caso da contração sólida, entretanto, a. mesma é expressa linearmente, pois desse modo é mais fácil projetar-se os modelos. A contração sólida varia de acordo com a liga considerada. No caso dos aços fundidos, por exemplo, a contração linear, devida à variação de volume no estado sólido, varia de 2,18 a 2,47%, o valor menor correspondendo ao aço de mais alto carbono (0,90%)

5 5 No caso dos ferros fundidos - uma das mais importantes ligas para fundição de peças - a contração sólida linear varia de 1 a 1,5%, o valor de 1% correspondendo ao ferro fundido cinzento comum e o valor 1,5% (mais precisamente de 1,3 a 1,5%) ao ferro nodular. Para os outros metais e ligas - a contração linear é muito variada, podendo atingir valores de 8 a 9% para níquel e ligas cobre-níquel. A contração dá origem a uma heterogeneidade conhecida por vazio ou rechupe, ilustrada na Figura 2 Inicialmente, tem-se (a) o metal inteiramente no estado líquido; (b) a solidificação tem início na periferia, onde a temperatura é mais baixa e caminha em direção ao centro; (c) fim da solidificação e (d) contração sólida. A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como conseqüência o vazio ou rechupe, indicados nas panes (c) e (d) da figura. A pane (d) dá a entender também que a contração sólida ocasiona uma diminuição geral das dimensões da peça solidificada. Os vazios citados podem eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície; porém, invisíveis externamente. Além dessa conseqüência - vazio ou rechupe - a contração verificada na solidificação pode ocasionar : - aparecimento de trincas a quente (Figura 3)

6 6 - aparecimento de tensões residuais. As tensões residuais podem ser controla das por um adequado projeto da peça, como se verá, e podem ser eliminadas pelo tratamento térmico de "alívio de tensões". Os vazios ou rechupes que constituem a conseqüência direta da contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas (Figura 4). No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado para controlar o vazio é colocar sobre o topo da lingoteira - que é feita de material metálico - uma peça postiça de material refratário, denominada "cabeça quente"ou "massalote"; essa peça, por ser de material refratário, retém o calor por um tempo mais longo e

7 7 corresponderá à seção que solidifica por último; nela, portanto, vai se concentrar o vazio. Resulta assim um lingote são, pela eliminação de sua cabeça superior. No caso de peças fundidas, utiliza-se um "alimentador". No exemplo apresentado na Figura 4, o molde foi projetado de tal maneira que a entrada do metal líquido, através de canais, é feita na seção mais grossa que alimenta as menos espessas; ao mesmo tempo, o "alimentador" ficará convenientemente suprido de excesso de metal líquido, nele se concentrando o vazio. 2.3 Concentração de impurezas Algumas ligas metálicas contêm impurezas normais, que se comportam de modo diferente, conforme a liga esteja no estado líquido ou sólido. O caso mais geral é o das ligas ferro-carbono que contêm, como impurezas normais, o fósforo, o enxofre, o manganês, o silício e o próprio carbono. Quando essas ligas estão no estado liquido, as impurezas estão totalmente dissolvidas no líquido, formando um todo homogêneo. Ao solidificar, entretanto, algumas das impurezas são menos solúveis no estado sólido: P e S, por exemplo, nas ligas mencionadas. Assim sendo, à medida que a liga solidifica, esses elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente, indo acumular-se, pois, na última parte sólida fornada. Nessas regiões, a concentração de impurezas constitui o que se chama segregação. A Figura 5 representa esquematicamente como a segregação pode se dispor em peças laminadas e forjadas. O inconveniente dessa segregação é que o material acaba apresentando composição química não uniforme, conforme a seção considerada, e conseqüentes propriedades mecânicas diferentes.

8 8 Como as zonas segregadas se localizam no interior das peças, onde as tensões são mais baixas, as suas conseqüências não são muito perniciosas, devendo-se de qualquer modo, evitar uma grande concentração de impurezas, quer pelo controle mais rigoroso da composição química das ligas, quer pelo controle da própria velocidade de resfriamento. 2.4 Desprendimento de gases Esse fenômeno ocorre, como no caso anterior, principalmente nas ligas ferro-carbono. O oxigênio dissolvido no ferro, por exemplo, tende a combinar-se com o carbono dessas ligas, formando os gases CO e CO2 que escapam facilmente à atmosfera, enquanto a liga estiver no estado liquido. À medida, entretanto, que a viscosidade da massa liquida diminui, devido à queda de temperatura, fica mais difícil a fuga desses gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas. Em aços de baixo carbono, na forma de lingotes a serem forjados ou laminados, as bolhas não são prejudiciais, pois elas, às temperaturas de conformação mecânica, principalmente para a fabricação de chapas, têm suas paredes soldadas. A rigor, essas bolhas podem ser até mesmo desejáveis. As bolhas devem ser evitadas, contudo, em aços de alto carbono; isso pode ser feito adicionando-se ao metal líquido substâncias chamadas "desoxidantes", tais como alguns tipos de ferros-liga (ferro-silício e ferro-manganês) ou alumínio. De fato, o oxigênio reage de preferência com os elementos Si, Mn e Al, formando óxidos sólidos - SiO 2, MnO e AI 2 O 3 - impedindo, assim, que o oxigênio reaja com o carbono formando os gases CO e CO 2, responsáveis pela produção das bolhas.

9 9 Outros gases que podem se libertar na solidificação dos aços são o hidrogênio e o nitrogênio, que comumente também se encontram dissolvidos no metal líquido. 3 - Fundição passo-a-passo A matéria-prima metálica para a produção de peças fundidas é constituída pelas ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) e não-ferrosas (ligas de cobre, alumínio, zinco e magnésio). O processo de fabricação dessas peças por meio de fundição pode ser resumido nas seguintes operações: 1.Confecção do modelo - Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor. 2.Confecção do molde - O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário composto de areia e aglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, depois de retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida.

10 10 3. Confecção dos machos - Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido. 4. Fusão - Etapa em que acontece a fusão do metal. 5. Vazamento - O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido. 6. Desmoldagem - Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos. 7. Rebarbação - A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente.

11 11 8. Limpeza - A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos. Essa seqüência de etapas é a que normalmente é seguida no processo de fundição por gravidade em areia, que é o mais utilizado. Um exemplo bem comum de produto fabricado por esse processo é o bloco dos motores de automóveis e caminhões. são: O processo de fundição por gravidade com moldagem em areia apresenta variações. As principais fundição com moldagem em areia aglomerada com argila; fundição com moldagem em areia aglomerada com resinas. A fundição por gravidade usa também moldes cerâmicos. Esse processo recebe o nome de fundição de precisão. Existe ainda um outro processo de fundição por gravidade que usa moldes metálicos. Quando são usados moldes metálicos, não são necessárias as etapas de confecção do modelo e dos moldes, por nós descritas. Outro processo que usa molde metálico é o processo de fundição sob pressão. 4 - Características e defeitos das peças fabricadas A maioria dos processos de fabricação mecânica, utiliza sempre produtos semi-acabados, ou seja, chapas, barras, perfis, tubos, fios e arames, como matéria-prima. Quer dizer, existem várias etapas de fabricação que devem ser realizadas antes que o material metálico se transforme em uma peça. Por outro lado, a fundição parte diretamente do metal líquido e, no mínimo, economiza etapas dentro do processo de fabricação. Podemos citar ainda mais algumas vantagens desse processo:

12 12 a) As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros processos. b) As peças fundidas podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde são produzidas. Isso quer dizer que é possível produzir peças de poucos gramas de peso e com espessura de parede de apenas alguns milímetros ou pesando muitas toneladas. c) A fundição permite um alto grau de automatização e, com isso, a produção rápida e em série de grandes quantidades de peças. d) As peças fundidas podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamento (mais liso ou mais áspero) e tolerância dimensional (entre ± 0,2 mm e ± 6 mm) em função do processo de fundição usado. Por causa disso, há uma grande economia em operações de usinagem. e) A peça fundida possibilita grande economia de peso, porque permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas. Essas vantagens demonstram a grande diversidade de peças que podem ser produzidas por esse processo e que os outros não conseguem alcançar. Quando um novo produto é criado, ou quando se quer aperfeiçoar algo que já existe, o departamento de engenharia geralmente tem alguns critérios que ajudam a escolher o tipo de processo de fabricação para as peças projetadas. No caso da fundição, vários fatores podem ser considerados: formato e complexidade da peça tamanho da peça quantidade de peças a serem produzidas matéria-prima metálica que será usada Além disso, as peças fundidas apresentam características que estão estreitamente ligadas ao processo de fabricação como por exemplo: acréscimo de sobremetal, ou seja, a camada extra de metal que será desbastada por processo de usinagem furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça porque dificultam o processo de fundição, embora apareçam no desenho. Esses detalhes são depois executados também por meio de usinagem.

13 13 arredondamento de cantos e engrossamento das paredes da peça para evitar defeitos como trincas e melhorar o preenchimento com o metal. líquido. Defeitos dos produtos fundidos Alguns defeitos comuns das peças fundidas são: inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada. defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem. rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação, causado por projeto de massalote malfeito. porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro de peça. Eles se originam quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada. 5 - Fundição em areia A fundição é um dos processos de fabricação mais antigos que o homem criou. É uma maneira fácil e barata de se obterem peças praticamente com seu formato final, vazando-se o metal em estado líquido dentro de um molde previamente preparado. A fundição em areia é a mais usada, não só na produção de peças de aço e ferro fundido, porque os moldes de areia são os que suportam melhor as altas temperaturas de fusão desses dois metais, mas também para a produção de peças de ligas de alumínio, latão, bronze e magnésio. O molde: uma peça fundamental A qualidade da peça fundida está diretamente ligada à qualidade do molde. Peças fundidas de qualidade não podem ser produzidas sem moldes. Por isso, os autores usam tanto o material quanto o método pelo qual o molde é fabricado como critério para classificar os processos de fundição. Portanto, é possível classificar os processos de fundição em dois grupos:

14 14 - Fundição em moldes de areia - Fundição em moldes metálicos O processo em areia, particularmente a moldagem em areia verde é o mais simples e mais usado nas empresas do ramo. A preparação do molde, neste caso, consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de moldar. Esse processo segue as seguintes etapas: 1. A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo, coberto com talco ou grafite para evitar aderência da areia, é então colocado no fundo da caixa. A areia é compactada sobre o modelo manualmente ou com o auxílio de marteletes pneumáticos.

15 15 2. Essa caixa, chamada de caixa-fundo, é virada de modo que o modelo fique para cima. 3. Outra caixa de moldar, chamada de caixa-tampa, é então posta sobre a primeira caixa. Em seu interior são colocados o massalote e o canal de descida. Enche-se a caixa com areia que é socada até que a caixa fique completamente cheia. 4. O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas. 5. Abre-se o copo de vazamento na caixa-tampa.

16 16 6. Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa-fundo e retira-se o modelo. 7. Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam-se presilhas ou grampos. Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém-se, assim, a peça fundida, que depois é limpa e rebarbada. A seqüência da preparação do molde que descrevemos é manual. Nos casos de produção de grandes quantidades, usa-se o processo mecanizado com a ajuda de máquinas de moldar conhecidas como automáticas ou semi-automáticas que permitem a produção maciça de moldes em reduzido intervalo de tempo. Para que um produto fundido tenha a qualidade que se espera dele, os moldes devem apresentar as seguintes características essenciais: a) resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido. b) resistência à ação erosiva do metal que escoa rapidamente durante o vazamento. c) mínima geração de gás durante o processo de vazamento e solidificação, a fim de impedir a contaminação do metal e o rompimento do molde. d) permeabilidade suficiente para que os gases gerados possam sair durante o vazamento do metal. e) refratariedade que permita suportar as altas temperaturas de fusão dos metais e que facilite a desmoldagem da peça

17 17 f) possibilidade de contração da peça, que acontece durante a solidificação. A fundição em moldes de areia verde não tem nada a ver com a cor verde. O processo tem esse nome somente porque a mistura com a qual o molde é feito mantém sua umidade original, quer dizer, não passa por um processo de secagem. A matéria -prima para esse tipo de moldagem é composta basicamente por um agregado granular refratário chamado de areia -base que pode ser sílica, cromita ou zirconita, mais argila (como aglomerante) e água. Tanto metais ferrosos quanto não-ferrosos podem ser fundidos nesse tipo de molde. Os moldes são preparados, o metal é vazado por gravidade, e as peças são desmoldadas durante rápidos ciclos de produção. Após a utilização, praticamente toda a areia (98%) pode ser reutilizada. Esse processo de moldagem é facilmente mecanizável, sendo realizado por meio de máquinas automáticas. Vantagens e Desvantagens Vantagens: 1. A moldagem por areia verde é o mais barato dentre os outros métodos de produção de moldes. 2. Há menor distorção de formato do que nos métodos que usam areia seca, porque não há necessidade de aquecimento. 3. As caixas de moldagem estão prontas para a reutilização em um mínimo espaço de tempo. 4. Boa estabilidade dimensional. 5. Menor possibilidade de surgimento de trincas. Desvantagens: 1. O controle da areia é mais crítico do que nos outros processos que também usam areia. 2. Maior erosão quando as peças fundidas são de maior tamanho. 3. O acabamento da superfície piora nas peças de maior peso. 4. A estabilidade dimensional é menor nas peças de maior tamanho.

18 Moldagem Materiais do Molde. Areia lavada retirada das margens dos rios são usados como matéria -prima para moldes destinados a ligas de baixo-ponto de fusão. Eles têm as vantagens de baixo custo, especialmente peças leves. Porém, estes moldes contêm de 15 a 25 por cento de barro que, em troca, inclui algumas impurezas orgânicas que notadamente reduzem as temperaturas de fusão daquela mistura de areia natural, diminui a coesão, e requer um conteúdo de umidade alto (6 a 8 por cento). Então, o molde de areia sintética foi desenvolvido para ultrapassar esses problemas e consiste de sílica limpa na qual a estrutura do grão e distribuição do tamanho de grão é controlada, com até 18 por cento de argila e de bentonita e só aproximadamente 3 por cento de umidade. Como a quantidade de argila usada para unir o material é mínima, o molde de areia sintética tem um alto teor refratário, alta resistência verde (verde aqui significa aglomerado e não se refere a cor), uma melhor permeabilidade, e um baixo teor de umidade. Essa última vantagem resulta na presença de menos gases durante o processo de fundição. Este controle das propriedades da mistura da areia é uma condição importante para obter boas peças fundidas. Por esta razão um laboratório de areia, normalmente, é unido à fundição para determinar, com antecedência, as propriedades da areia de moldagem para fundição. A seguir algumas propriedades importantes da mistura da areia -verde: 1. Permeabilidade é a propriedade mais importante da moldagem da areia e pode ser definido como a habilidade da moldagem da areia para permitir a passagem dos gases. Esta propriedade não só depende da forma e tamanho das partículas da areia mas também na quantidade de argila presente no material como também o conteúdo de umidade. A permeabilidade dos moldes é normalmente baixa quando fundimos ferro fundido cinzento e alta quando fundimos aço. 2. Resistência "verde" de um molde de areia é principalmente devida a argila (ou bentonita) e ao conteúdo de umidade, onde ambos mantém as partículas de areia unidas. Os moldes devem ser firmes o bastante para não se desmoronar durante o manuseio e transferência e também devem ser capazes de resistir a pressão e erosão durante o vazamento do metal fundido. 3. Teor de umidade é expresso em porcentagem e é importante porque isto afeta outras propriedades como a permeabilidade e a resistência verde; Um conteúdo de umidade excessivo pode resultar no aprisionamento de bolhas no metal à solidificar. 4. Fluidez é a habilidade da areia para fluir facilmente e encher as cavidades e os detalhes do molde. 5. Refratariedade é a resistência da areia moldada à temperaturas elevadas; quer dizer, as partículas da areia não devem fundir-se, ou aglomerar-se quando elas entram em contato com o metal fundido durante o processo de fundição. Areia moldada com refratariedade pobre pode queimar quando o metal fundido é vazado no molde. Normalmente, moldes de areia devem resistir até 1650 C.

19 Elementos do processo de fundição Fundidos Toda peça metálica fundida nasce na oficina de modelagem. Todos os desenhos que especificam a fundição devem primeiramente ser encaminhados ao modelador, que procederá à execução de um modelo do objeto a ser usinado, em plástico ou em madeira. Este, conhecido como modelo de fundição, é, em seguida, enviado à oficina para que a peça seja fundida. Estes tipos de peças são feitas de várias espécies de aço e ferro fundido e também de ligas não-ferrosas, isto é, de alumínio, magnésio, zinco e cobre bronze e latão. Para entender perfeitamente o processo pelo qual passa uma peça fundida, desde a modelagem até a fundição, é necessário, conhecer os termos usados no processo. Desenho do modelo. A fonte em que o modelador consegue as informações necessárias à execução do modelo é o desenho da peça oriundo do escritório de projeto. Como esse desenho contém informações a serem utilizadas pelos vários setores, em toda a seqüência de fabricação, mas não necessárias ao modelador, este algumas vezes executa um novo desenho, o denominado desenho do modelo. Neste são omitidas todas as informações desnecessárias especificamente ao modelador e inclui itens como plano de separação, tolerância, contornos de sobremetal e desenhos dos machos. Os desenhos do modelo são executados em escala 1:1, levando-se em conta a necessária contração. Neles as curvas e interseções devem ser cuidadosamente construídas, pois as

20 20 dimensões da peça são levantadas diretamente dali. Fazem-se também cortes em diferentes posições, no desenho do modelo, com a finalidade de executar os moldes de metal que servirão para testar o modelo durante a sua execução. A Fig mostra os desenhos de uma peça simples e do modelo da mesma peça. Régua de contração do modelador. O metal de uma dada peça fundida, após solidificar-se, continua a se contrair até atingir a temperatura ambiente. O grau dessa contração varia de acordo com o tipo de metal mas de qualquer forma o modelador deve estar de posse de todos os elementos necessários para projetar o modelo, levando em conta esta particularidade do metal. Isto é facilmente executado quando se tem à mão uma régua de contração na qual as divisões são ligeiramente maiores do que as normais. A tolerância de contração que deve ser levada em consideração para os vários metais é dada a seguir em mm/m. Ferro fundido l0 Aço fundido 20 Ligas de alumínio 12,5 Ligas de magnésio 0.55 Isto significa que na construção de uma régua de um metro, no caso do ferro fundido, a mesma deve ter 1010 mm.

21 21 Tolerâncias de sobremetal. Antes de terminar o desenho do modelo, o modelador deve indicar a quantidade de "sobremetal", cuja indicação é feita por meio de uma linha grossa. O termo "sobremetal" aqui empregado refere-se à quantidade de metal adicionada à peça, metal esse que será retirado durante o processamento de usinagem. A espessura de sobremetal varia de 3 mm a 18 mm, dependendo do tamanho do fundido e do metal que é empregado na confecção da peça. Esta tolerância de sobremetal é indicada na Fig por meio de linha tracejada, que mostra o contorno da peça pronta. Nos desenhos oriundos de escritório técnico, o acabamento das superfícies deve sempre ser indicado, utilizando-se para tal um dos métodos padronizados e apresentados. Plano de separação. Antes que o desenho do modelo entre na oficina de modelagem, a localização da linha ou do plano de separação deve ser determinada. Esta particularidade não se encontra indicada no desenho da peça, mas o projetista deve ter sempre em mente este detalhe, de modo a evitar um projeto de difícil, se não de quase impossível, execução pelo processo da fundição, o que, ao lado da dificuldade técnica, onera bastante o produto. A finalidade do plano de separação é permitir que o modelo possa ser removido do molde sem que haja qualquer anomalia nas paredes de areia. O plano de separação deve de preferência estar situado sobre o eixo de simetria que divide a peça. Na fundição do objeto, o plano de separação é posicionado de modo a coincidir com o plano entre as duas partes do molde ou caixa de fundição. No caso de objetos simples, tais como o mostrado na Fig. 10.3(a), algumas vezes é possível utilizar uma de suas faces como plano de separação; com isso tornando o processo de fundição mais fácil e mais barato. Em geral um plano de separação é necessário, como na Fig. 10.3(b). Ocasionalmente é preciso mais do que um plano, mas deve-se

22 22 evitar tal situação sempre que for possível. A linha que indica a posição do plano de separação é chamada de linha de separação. Esta linha é indicada no esboço feito pelo modelador. Posicionadores de machos. Tão logo a posição do plano de separação tenha sido determinada, devem ser indicados os ressaltos para posicionamento dos machos. Esses ressaltos são elementos salientes do modelo, cuja finalidade é provocar a formação de um rebaixo no molde de areia onde o macho vai ser fixado. Como o macho preencherá totalmente esses rebaixos, a função dos mesmos é única e exclusivamente atuar como elemento posicionador até que o metal derretido se solidifique. A Fig mostra esses ressaltos aficionados ao desenho do modelo. Esses elementos não são mostrados, no desenho da peça acabada. Saída. Para possibilitar a fácil remoção do modelo do molde, dota-se o primeiro de certa conicidade a partir do plano de separação. Esta conicidade é chamada de saída. A saída pode ser acrescentada ao modelo pelo aumento do plano de separação, tornando a peça mais robusta e mais pesada, ou então, mantendo a quantidade de metal constante no plano de separação e diminuindo-o na parte superior ou na inferior. O último método reduz a resistência e o peso da. peça. Quando o molde é de madeira, usa-se a saída de 10 mm/m, mas quando o molde é metálico, a de 5 mm/m é suficiente. A saída também pode ser especificada por meio de graus e, em gerar, estes se situam entre 0,5 e 3. A saída é normalmente mostrada no desenho do modelo, nunca sendo indicada nos da peça. Desenho dos detalhes. Na execução do desenho de peças para fundição, existem muitos detalhes de projeto com os quais o engenheiro deve estar familiarizado. A indústria vem padronizando detalhes como nervuras, cantos arredondados, ressaltos, saliências, filetes e interseção de filetes, que devem ser levados em consideração pelo projetista para facilitar a produção e assegurar a boa qualidade da peça.

23 23 Cantos e concordâncias. Quando um metal se solidifica, os cristais tendem a se dispor de modo que suas linhas de maior resistência se situem perpendicularmente à superfície fria, como indica a Fig. 10A. No entanto, os ângulos muito vivos, tendem a formar planos de baixa resistência, como aparecimento de orifícios ou trincas durante o resfriamento. Por esta razão, os ângulos internos muito vivos são evitados por meio de madeira, cera ou couro, como é indicado na Fig Este processo é chamado de filetagem. Os cantos vivos na peça fundida devem também ser arredondados. A consideração cuidadosa desses detalhes permite remover com maior facilidade o modelo do molde, permite que o metal flua mais livremente e ajuda a evitar a formação de trincas e planos de baixa resistência. Em geral, cada empresa tem suas próprias regras referentes ao tamanho dos filetes. Algumas exigem que o filete tenha um raio igual à espessura da seção, como indica a Fig. 10.6; outras indicam o raio para os filetes em forma tabular. A seguir apresenta-se dados de projeto para abas mínimas e raios de filetes, para fundidos em ligas de alumínio usados por uma indústria de grande porte. Material n AM265 Espessura mín. da parede - t (mm) Raio mín. do filete - r (mm) Muito embora seja essencial que todos os ângulos tenham sido arredondados e os respectivos filetes colocados, é também de suma importância evitar raios muito grandes para filetes com abas, cujas seções retas são finas. Filetes muito grandes podem causar tensões durante o processo de resfriamento em almas finas, fazendo com que o material se concentre de maneira acentuada nas interseções, levando o conjunto a um resfriamento desigual. Os desenhos executados pelo departamento de Engenharia deverão sempre mostrar todos os filetes e trazerem uma nota tal como todos os filetes terão raio x e raios de concordância y a não ser que se especifique de outra forma.

24 24 Espessura das paredes nos fundidos. À medida que o metal fundido vai sendo vazado, o mesmo se escoa nas várias direções, indicadas pelo formato do molde e gradualmente, vai se resfriando. Caso as seções sejam muito finas, o metal pode solidificar sem que se consiga o total preenchimento do molde, ou então, devido à baixa temperatura em determinados pontos, não haver um caldeamento adequado entre as duas partes. Isto precipita a formação de um ponto de baixa resistência chamado de "gota fria". A espessura mínima da parede varia com o tipo de material e com a prática seguida pela empresa. Por exemplo, uma dada companhia recomenda as seguintes espessuras mínimas em mm: ferro fundido, 5; latão e bronze, 3 e alumínio de 4 a 6. A interseção entre uma parede fina e outra mais robusta pode provocar o aparecimento de trincas, devido, ao resfriamento desigual dás duas partes. Por esta razão, é sempre interessante evitar uma variação muito abrupta na seção reta das paredes das peças. Quando tal variação não pode ser evitada, o componente mais fino deve ser dotado de conicidade para reduzir as tensões devidas à retração. Recomenda-se que a seção mais espessa não seja maior do que o dobro da espessura da seção mais fina, como indica a Fig. 10.7(a). Quando esta relação mínima de 2:1 não pode ser mantida, a seção mais fina será dotada de conicidade, como mostram as Figs. 10.7(b) e (c) de acordo com as dimensões dadas na Tab. 10l. A interseção das paredes das almas tende a provocar trincas devidas ao resfriamento cansadas pela alta concentração de material na interseção. Ver a Fig. 10.7(d). Isto pode ser evitado ou melhorado, alternando-se as espessuras das paredes onde quer que seja possível, como indica a Fig

25 25 Ressaltos. As saliências acrescentadas à peça fundida para possibilitar a confecção de furos ou proporcionar apoio à cabeça de um parafuso são chamadas de ressaltos. Quando estes ressaltos se tornam necessários, devem ser colocados filetes que proporcionem uma variação gradual na seção transversal, quando possível, como na Fig. 10.9(a). Quando for preciso colocar ressaltos nas paredes, estas deverão ser dotadas de certa conicidade, como indica a Fig. 10.9(b), para proporcionar a necessária espessura. Calços ou coxins. Os coxins, como são indicados na Fig , fazem com que o custo da peça seja reduzido, devido à economia causada pela eliminarão de grandes áreas que deverão ser usinadas.

26 26 Nervuras. Numa peça fundida, as nervuras desempenham duas funções: aumentam a resistência reforçando a peça e impedem a formação de trincas de resfriamento por agirem como dissipadores de calor, com isso proporcionando o resfriamento da seção. Definição dos termos relativos ao modelo a fundição. Os seguintes termos são usados na modelagem, na ferramentaria e na fundição: Ressalto. Projeção num objeto cuja altura é, em geral, menor do que o seu diâmetro. Ele é colocado neste local com a finalidade de proporcionar um ponto de apoio ou ainda permitir que a usinagem faça um furo em condições mais vantajosas. Ver a Fig Macho. Um modelo de areia para fazer um furo no interior do fundido. Ver a Fig

27 27 Caixa de macho. Uma caixa de madeira, cujo formato interno é de tal natureza que, quando está totalmente cheia de areia, forma-se o macho desejado. Ver a Fig Apoio do macho. A parte saliente do modelo que deixa um rebaixo no molde de areia onde o macho deverá ser colocado, Ver a Fig Este rebaixo serve para sustentar o macho, no molde Cubilô. O forno no qual o metal é fundido. Conicidade ou saída. Certa conicidade atribuída ao modelo e que torna mais fácil a sua retirada do molde de areia. Filete. Uma superfície côncava que cobre totalmente os ângulos agudos entre duas faces num modelo. Ver a Fig Sobremetal. Material extra deixado sobre a superfície para permitir seu acabamento na usinagem do fundido. Ver a Fig. 10. l 1. Caixa de fundição. Duas ou mais peças em formato de caixa, com a mesma seção reta e dentro das quais a areia é compactada para a formação do molde. Ver a Fig. 10,12. Ela é constituída de duas partes: a superior e a inferior. Ver as Figs (a) e (b) Canal de alimentação. Uma abertura no molde de areia, por onde o metal escoa. Ver a Fig. Plano de separação. O plano que divide o modelo em duas partes que podem ser retiradas da areia. Ver a Fig Modelo. Um modelo ligeiramente maior do que a peça a ser fundida, em geral feito em madeira. Ver a Fig Tolerância de contração. Aumento nas dimensões do modelo para compensar a contração do metal durante o processo de resfriamento. Régua de contração. A régua usada pelo modelador. Possui uma escala que leva em conta o aumento dimensional, compensado na contração do metal durante o processo de solidificação. Código De Cores. Para facilitar a interpretação, o modelo completo é pintado de várias cores. A região que permanecerá sem acabamento, em preto; a que deverá ser acabada, em vermelho; as regiões correspondentes aos machos, em amarelo. Usam-se também outras cores, mas estas são as mais importantes.

28 28 Caixa De Machos. Como o modelo forma unicamente a superfície externa do fundido, é necessário encontrar algum método para a produção das superfícies internas, cujas formas são determinadas pelo formato do macho, moldado na caixa de machos. É parte integrante do serviço do modelador confeccionar a caixa de machos, que se resume numa caixa vazia cujo formato interior representa a forma das superfícies internas do objeto a ser fundido. Como os machos em geral são constituídos de duas partes coladas, a construção da caixa de machos levará em conta o plano de separação, contração, saída e acabamento, como foi feito no caso da construção do modelo de fundição. A Fig (a) mostra uma caixa de machos. Machos. Depois de o modelador ter completado a caixa de machos, a mesma é enviada à machearia para confecção dos machos. O objetivo do macho é ocupar um espaço no molde onde se deseja uma. abertura ou um vazio. O engenheiro deve projetar os espaços interiores de modo que o macho possa ter removido depois do metal ter sido vazado e solidificado. Caixa de Fundição. A areia na qual se imprime o formato do fundido é colocada dentro de um recipiente em forma de caixa, conhecida como caixa de fundição. Ver a Fig A caixa de fundição é feita em duas partes, que podem ser separadas para remoção do modelo e a seguir apoiadas, uma de encontro à outra, para formar o molde. Ver Fig

29 29 Fundição. O projetista tem pouca ligação imediata com a fundição, pois o modelador atua como intermediário entre os dois. Os desenhos da oficina, em geral, não incluem nenhuma referência à operação de fundição. No entanto, é pouco provável que exista lugar onde o item referente ao custo seja de importância tão vital como na fundição. O sobremetal em excesso e o formato complexo difícil de se fundir, fazem com que o produto acabado seja demasiado caro. O projetista deve estar sempre alerta quanto a estes detalhes que oneram o custo. Moldes Permanentes. Quando é preciso fazer um grande número de fundidos, um molde metálico ou permanente provocará uma redução nos custos e melhorará a qualidade dos fundidos. O molde metálico deve ser espesso e suficientemente pesado para ter grande capacidade de absorção de calor e capacidade de resfriamento suficiente para que a temperatura do molde não atinja níveis muito altos. Sistemas de Distribuição Os moldes são preenchidos com metal fundido por meio de tubos cortados na areia do molde que são chamados canais. A figura 2-4 indica um sistema de distribuição típico que inclui uma bacia de descanso, canal de descida canal de distribuição e canal de ataque. O projeto do sistema de distribuição às vezes é crítico e deve, então, estar baseado nas teorias da mecânica dos fluidos como também na prática industrial. De fato, um sistema de distribuição deve ser projetado de forma que as seguinte regras sejam asseguradas: 1. Um fluxo contínuo, uniforme de um metal fundido na cavidade do molde, sem qualquer turbulência, deve ser provido. 2. Um reservatório de metal fundido que alimenta a peça fundida para compensar a contração durante a solidificação deve ser mantido (alimentador) 3. O fluxo de metal fundido deve estar sempre em contato com as paredes do canal de descida. Vamos ver agora os componentes do sistema de distribuição e discutir o projeto de cada um deles. A bacia de descanso é projetada para reduzir a turbulência. O metal fundido deve ser vazado na bacia pelo lado oposto ao do canal de descida. Este último deve ter um pescoço, como mostrado na figura 2-4 para eliminar a turbulência como o metal fundido entra no canal de descida. Logo, o canal de descida deve ser cônico (sua

30 30 área transversal deveria diminuir a medida que desce) impedindo o fluxo de metal fundido de se separar das paredes. Isto se dá pelo fato que o fluxo ganha velocidade a medida que desce e, então,contrai (lembrar da equação de continuidade em mecânica dos fluidos: A 1 v 1 =A 2 V 2 ). O elemento importante e crítico do sistema de distribuição é o canal de ataque cujas dimensões afetam todos esses outros elementos Na maioria das vezes, a área transversal do canal de ataque é reduzida na zona adjacente a base do canal de descida de forma a criar um " gargalo " que é principalmente usado para controlar o fluxo de metal fundido e, por conseguinte, o tempo de vazamento. Em outras palavras, serve para assegurar que a taxa de fluxo de metal fundido na cavidade do molde não seja mais alto que o proporcionado pelo canal de descida e, então, manter o sistema de distribuição cheio de metal ao longo da operação de fundição (pressão sempre positiva). Por outro lado, a contaminação do gás e inclusões de escória deveriam ser eliminados para manter o fluxo laminar. Dessa forma, o número de Reynolds (Rn) deveria ser conferido ao longo do sistema de distribuição (lembrar que o fluxo é laminar quando Rn < 2000). Também deve ser usada a equação de Bernoulli para calcular a velocidade de fluxo em qualquer seção do sistema de distribuição. Em alguns casos, quando fundimos peças pesadas ou ligas metálicas de alto grau de contração, são precisos reservatórios extras de metal para compensar continuamente o contração do metal fundido durante a solidificação. Estes reservatórios de metal fundido são normalmente chamados de alimentadores e ficam presos as peças em localizações apropriadas para controlar o processo de solidific ação. A determinação das localizações do sistema de alimentação e dos alimentadores é determinada baseada no fenômeno que as seções mais distante desses reservatórios de metal fundido se solidificam primeiro. Alimentadores são moldados na caixa de cima de forma a assegurar a alimentação por gravidade e normalmente estão abertos à superfície do topo do molde. Neste caso, eles são chamados alimentadores abertos. Quando eles não estão abertos ao topo do molde, eles são chamados de alimentadores cegos. Outro recurso utilizado para dirigir a solidificação direcional é chamado de resfriador; isso envolve inserções de aço, ferro fundido, ou cobre, no molde e agem como um "direcionador de extrusão" de calor para aumentar a taxa de solidificação do metal a regiões apropriadas da fundição. Dependendo da forma da peça os resfriadores podem ser externos ou internos.

31 Outros Processos de Fundição Fundição em Areia Seca Como já mencionado, moldes de areia verde contêm até 7% de água, dependendo do tipo e porcentagem do material de liga. Então, este tipo de molde só pode ser usado para moldes pequenos com paredes finas, uma vez que peças grandes com paredes espessas aquecem o molde e provocam a vaporização da água presente no molde. Isso iria provocar bolhas nas peças. Por esta razão, moldes para peças grandes devem ser secos. A operação para secar é feita em fornos a uma temperatura que varia de 150º para 350ºC, de 8 até 48 horas, dependendo do tipo e quantia de aglomerante usado Fundição em Moldes de Cimento Uma mistura de areia contendo de 8 a 12% de cimento e 4 a 6% de água é usada. Ao fazer o molde, a mistura deve endurecer primeiro antes que o modelo seja retirado. O molde obtido fica curando por aproximadamente 3 a 5 dias. Peças grandes com formas complicadas, dimensões precisas, e superfícies lisas normalmente são produzidas neste modo. A única desvantagem é que o processo requer longo tempo para o processo de moldagem Fundição CO 2 A areia é misturada com um aglomerante que envolve uma solução de silicato de sódio atingindo 6%. Depois que o molde for batido é soprado gás carbônico pela mistura de areia. Como resultado, o gel de sílica mantém a areia aglomerada e nenhum secante é necessário. Considerando que os moldes endurecem enquanto o modelo está montado, boa precisão dimensional Fundição em Moldes Especiais Moldagem em Pasta Moldes de gesso são apropriados para fundir prata, ouro, magnésio, cobre, e ligas de alumínio. O material para moldagem é uma mistura de areia fina, amianto e gesso como aglomerante. Água é adicionada a mistura até que uma pasta cremosa é obtida. O processo de secagem deverá ser bem lento para evitar trincas no molde.