Outubro 2012 Como se produz uma peça metálica por fundição? Grupo I Grupo I - 1ºAno i Ana Leonor Feio Bruno Silva José Ferreira Pedro Pereira Roberto Mendes Tiago Santos
Índice Resumo... 1 Introdução... 2 Objetivo... 3 Enquadramento teórico... 3 Vantagens e desvantagens da utilização da técnica de fundição por cera perdida... 4 Processo de fundição por cera perdida... 5 Trabalho Experimental... 8 Propriedades do estanho e do seu minério... 8 Aplicações... 9 Trabalho Prático: Fusão e vazamento de uma peça em estanho... 9 Conclusão... 12 Bibliografia... 13 ii
Resumo Com este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular do Projecto FEUP, pretende-se dar a conhecer o processo de produção duma peça metálica por fundição e, mais especificamente, a sua produção recorrendo ao método de fundição por cera perdida. Abordarse-ão as suas vantagens e desvantagens e o processo utilizado neste. Ir-se-á também demonstrar o trabalho prático realizado pelo nosso grupo, no qual foi feita a fundição e vazamento de uma peça de estanho, referindo algumas das suas propriedades e aplicações. 1
Introdução A fundição é uma técnica com mais de 5.000 anos, que tem sofrido uma grande evolução ao longo das últimas décadas, principalmente após a Revolução Industrial. Este método toma grande importância e tem vindo a contribuir para o avanço tecnológico do qual usufruímos actualmente. Com o passar dos anos, o Homem foi aperfeiçoando esta técnica, começando nas pequenas peças fabricadas artesanalmente até às técnicas de siderurgia atuais. Essencialmente, este processo consiste num conjunto de etapas necessárias para moldar certos materiais ou ligas, recorrendo à fusão dos mesmos e ao seu escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação. 2
Objetivo Como produzir uma peça metálica por fundição, recorrendo ao método de fundição por cera perdida. Enquadramento teórico A fundição por cera perdida consiste na liquefação de um material ou liga submetido a altas temperaturas que posteriormente é vazado para um molde com o mesmo formato do objeto a reproduzir, como é representado na figura 1. Depois da solidificação do material, o objeto resultante terá as mesmas dimensões e formato do inicial. De seguida, a Figura 1- Vazamento dum metal peça poderá necessitar de alguns aperfeiçoamentos como, por exemplo, ao nível do tamanho ou da sua conformação mecânica (no forjamento da peça), para que no final, fique com as dimensões pretendidas. De entre os principais métodos de fabrico de peças metálicas, a fundição por cera perdida destaca-se pela sua versatilidade, já que é possível produzir objetos com grande variedade de formatos e tamanhos. (Julierme Ribeiro) Normalmente, quando se pretende reproduzir objetos para comércio, opta-se pelo processo de fabrico por fundição já que, a partir de um ou vários moldes, é possível obter uma produção em massa. (heartjóia) Inicialmente, esta técnica era utilizada para produção de pequenas peças; atualmente, a indústria mundial começou a desvendar as suas grandes potencialidades para a reprodução de peças de maiores dimensões e com elevada precisão, necessária para variadas indústrias, tal como a aeronáutica. 3
Vantagens e desvantagens da utilização da técnica de fundição por cera perdida Todos os processos de fundição têm vantagens e desvantagens. No caso particular da fundição por cera perdida, podem-se obter vantagens no uso deste método para produção em massa de objetos com formatos complexos, obtenção de peças com vários detalhes (cantos vivos, paredes finas) maior precisão dimensional e melhor acabamento superficial, podendo ser utilizada uma grande variedade de ligas metálicas para este efeito. Ao nível das desvantagens, para a produção de peças através deste processo é necessário que estas sejam relativamente leves, tendo um peso máximo de cinco Kg. Outra das desvantagens é que, quanto maior for o tamanho da peça, maior será o seu custo. (Norberto Moro, André Paegle Auras) Um exemplo prático mo qual se verificam benefícios na utilização deste processo de fundição é no campo da joalharia já que é uma arte na qual são produzidas peças com grande detalhe e formas complexas. (heartjóia) 4
Processo de fundição por cera perdida 1. Obter a peça que queremos reproduzir. Para isso, utilizam-se diversas técnicas de construção podendo as peças finais serem desenvolvidas para fins artísticos (estátua em bronze) ou técnicos (peças de maquinaria). 2. Envolver a peça num material que não a danifique, tal como a plasticina, de modo a criar um modelo com uma sobreespessura (figura 2). Figura 2- Modelo com revestimento de plasticina 3. Criar os canais de vazamento (gitos), para o qual se vaza o metal ou liga metálica e por onde saem os gases que se formam durante o processo, de modo a evitar a formação de defeitos, tais como bolhas. 4. Já com os gitos colocados, criar a parede de apartação usando plasticina. 5. Criar um contramolde em gesso ou outro tipo de material rígido. (figura 3) 6. Dividir, pela parede de apartação, o contra-molde, de modo a que a peça seja liberta (figura 3). 5
Figura 3- Contra-molde em gesso 7. Retirar a plasticina da peça e colocá-la dentro do contramolde. De seguida, encher o espaço que estava a ser ocupado pela plasticina com silicone líquido. 8. Após o endurecimento do silicone remover o contramolde. Retirar a peça do revestimento, cortando o molde de silicone. 9. Vazar a cera líquida para o molde e deixar solidificar, repetindo o processo várias vezes. (figura 4) Figura 4 Molde de cera 10. Fixar as peças em cera a uma coluna, de modo a criar uma espécie de «árvore» para que de uma só vez se possa produzir um grande número de peças, rentabilizando assim a produção. Esta coluna tem acoplado a si uma bacia e canais de vazamento, de forma a conduzir o metal líquido ao molde. 6
11. Imergir a árvore numa suspensão de cerâmica, cobrindo-a depois com várias camadas de pó feitas do mesmo material, de modo a dar a espessura e rigidez necessária à «carapaça» exterior. (figura 5) Figura 5- Peça com carapaça em cerâmica 12. Levar ao forno a peça para que a cera funda e a cerâmica sintetize. 13. Fundir o metal e vazá-lo. 14. Após a solidificação, quebrar a «carapaça» e separar as peças, ainda ligadas na forma de uma árvore. 15. Dar um acabamento final à peça. 7
Trabalho Experimental A atividade realizada pelo grupo não foi a fundição por cera perdida, mas sim uma fundição «simples», dado que a primeira se trata de uma atividade com um nível de complexidade bastante superior e para a qual são necessários vários dias. Assim, foi-nos proposta a realização de uma experiência mais simples (fundição do estanho) para que o tempo de realização da mesma fosse compatível com o tempo disponível. Propriedades do estanho e do seu minério A cassiterita ou o dióxido de estanho (SnO 2 ) é um mineral de dureza intermédia, a partir do qual se obtém o estanho. O estanho funde a uma temperatura relativamente baixa em comparação com outros metais e não é corroído pela água mas pode sofrer deterioração quando em contacto com bases, ácidos fortes ou oxigénio. (Bittencourt, Anderson; Cruz, Antônia F et al.) Apresentamos assim as características mais importantes deste metal na tabela 1. Características do Estanho Símbolo Químico Sn Número Atómico 50 Peso Atómico 118,69 u Ponto de Fusão Ponto de Ebulição 232 ⁰C 2270 ⁰C Densidade Relativa 7,28 Resistividade 11,5x10-8 W.m Tabela 1- Características do Estanho 8
Aplicações O estanho pode ser utilizado para as mais variadas aplicações, sendo frequentemente utilizado na sua forma não purificada. Pode também ser adicionado como elemento de liga na junção com outros metais. (Sandro Rodrigues). Neste contexto, uma liga consiste na agregação de um ou mais elementos químicos, tendo que um dos elementos constituintes da liga tem que ser um metal e que todas as fases existentes devem ter propriedades metálicas. (Fabio Domingos Pannoni) De entre as principais ligas destacam-se a Pewter (estanho, cobre, antimónio e chumbo), (Sandro Rodrigues), a de bronze (estanho e cobre) e a solda (estanho e chumbo). (Bittencourt; et al.) A aplicação do estanho em ligas proporciona novas condições e confere novas características aos constituintes da liga que poderão ser favoráveis e vantajosas para o profissional. Por exemplo, uma das vantagens do uso deste material é o facto de, ao ser adicionado numa liga a outro metal, faz com que este baixe o ponto de fusão e tenha assim melhores características de soldabilidade. (Sandro Rodrigues) Outra das aplicações do estanho é no fabrico das folhas-de-flandres (lâminas de aço estanhadas) que são usadas como revestimento em latas de tinta e embalagens alimentares, uma vez que não contamina os alimentos. Pode ainda ser aplicado em material para soldadura (constituído por ligas de estanho e chumbo) e ligas anti-fricção constituídas por metais anti-friccionais que contêm estanho e como componente de alguns inseticidas e ornamentos. (Sandro Rodrigues) Trabalho Prático: Fusão e vazamento de uma peça em estanho 1. Cortar o lingote de estanho em porções mais pequenas para serem colocadas no forno (figura 6); Figura 6 Instrumento de Corte 9
2. Colocar os pedaços de estanho no cadinho de grafite e posteriormente dentro forno a uma temperatura de 300 ⁰C; 3. Controlar a temperatura do banho com o termopar e verificar se a temperatura dentro do cadinho é inferior à que é indicada no mostrador de temperatura do forno (figura 7); Figura 7 Medição da temperatura do banho com o termopar 4. Esperar que o estanho funda (figura 8); Figura 8 Estanho no estado líquido 5. Medir a temperatura do estanho (300 C) com o termopar antes de o vazar; 6. Vazar para o molde (figura 9); 10
Figura 9 Vazamento do estanho para o molde 7. Aguardar a solidificação do estanho; 8. Retirar o estanho do molde (figuras 10 e 11). Figura 10 Molde em silicone Figura 11 Porta-chaves (produto final) 11
Conclusão Durante o desenvolvimento do trabalho foi criado um conjunto de aprendizagens acerca do processo de fundição por cera perdida que permitiu conhecer melhor este processo específico de fundição, as etapas que o compõem e as vantagens do seu uso. Em relação a este método de fundição, verificou-se que todo o processo é deveras complexo, embora o produto final se aproxime muito da reprodução perfeita e com grande detalhe da peça. Realizou-se também uma atividade que consistia na fundição do estanho e seu vazamento para um molde com forma de porta-chaves. Assim, a atividade realizada não foi a fundição por cera perdida, já que é um processo mais complexo do que a simples fundição do estanho. Foi feita então uma pesquisa acerca deste metal, de forma a conhecer melhor as suas propriedades, características e aplicações. Constatou-se que é a cassiterita o mineral que é extraído das minas e do qual se obtém o estanho. Este metal pode, por exemplo, ser usado com outros materiais para formar ligas ou na produção de folhas-de-flandres. 12
Bibliografia MORO, Norberto; AURAS, André Paegle (2007). Processos de Fabricação:fundição. Obtido de www.norbertocefetsc.pro.br/fundicao.pdf. Acedido em: 10/10/2012 HEARTJOIA (2012). Fundição por cera perdida ou microfusão. Obtido de http://heartjoia.com/4485-fundicao-cera-perdida-microfundicao-ouro-prata. Acedido em: 10/10/2012 GIULIANO, José. Os processos de fundição como ferramenta na obtenção de esculturas em metal,(2008) Obtido de http://www.lume.ufrgs.br/handle/10183/14297 Acedido em: 10/10/2012 BITTENCOURT, Anderson; CRUZ, Antônia F; PORTNOI, Marcos; ROSSI, Nereu; SANTANA, Neilton. Prata, bronze, estanho: características e aplicações na engenharia elétrica,(2008) Obtido de http://www.reocities.com/researchtriangle/4480/academic/academic-files/estanho-pratabronze.html Acedido em: 10/10/2012 RODRIGUES, Sandro. Desenvolvimento de Novos Produtos em Estanho,(Fevereiro de 2009) Obtido de paginas.fe.up.pt/~em01057/exemplo%20relatório.pdf. Acedido em: 13/10/2012 LINO, Jorge; ABREU, Alexandra; NETO, Rui; ROCHA, Augusto Barata Fabrico Rápido Indirecto de Ferramentas para Conformação de Chapas em Estanho, Obtido de http://pagina.fe.up.pt/~falves/artigosestanhocujae.pdf Acedido em: 9/10/2012 PANNONI, Fabio Domingos. Protecção de estruturas metálicas frente ao fogo, Obtido de www.gerdau.com.br/arquivos-tecnicos/20.brasil.es-es.force.axd. Acedido em: 12/10/2012 13