. Fundição
. Sumário Introdução 1 O processo................................... 1 Aplicação.................................... 2 Vantagens e Desvatagens........................... 3 Solidificação de Metais e Ligas 3 Formação de Defeitos 7 Etapas 8 Classificação 11 Moldes Colapsáveis 11 Areias com ligantes inorgânicos....................... 12 Fundição em areia verde....................... 12 Fundição em areia seca........................ 12 Processo silicato de sódio/co 2................... 13 Processo areia cimento....................... 14 Areias com ligantes orgânicos........................ 14 Resinas de cura a frio......................... 14 Moldagem em casca......................... 15 Areias sem ligantes.............................. 16 Molde cheio.............................. 16 Moldagem a vácuo.......................... 17 Moldes congelados.......................... 18 Outros refratários............................... 19 Processo CLA............................. 19 Cera perdida.............................. 19 Moldes Permanentes (Coquillhas) 21 Fundição por gravidade............................ 22 Fundição sob pressão............................. 23 Fundição a vácuo................................ 24 Fundição por compressão........................... 25 Fundição por centrifugação......................... 25 2
. Centrifugação total.......................... 26 Centrifugação parcial........................ 26 Somente preenchimento por centrifugação........... 26 Vantagens e Desvantagens.......................... 27 Vantagens............................... 27 Desvantagens............................. 27 3
Introdução Os processos de conformação de um material a partir de seu estado líquido são usualmente denominados de processos metalúrgicos de fabricação. Estes processos podem ainda ser classificados com relação à sua temperatura de trabalho. A metalurgia do pó engloba todos os processos onde a temperatura aplicada é inferior a temperatura de fusão do material. Em contrapartida, os processos que trabalham em temperaturas superiores a temperatura de fusão são: soldagem, lingotamento e fundição. O período da Idade dos Metais (período seguinte à Idade da Pedra), que se inicia por volta de 4000 a.c., foi marcado pelo início da fabricação de ferramentas e armas de metal. Ainda que de maneira rudimentar, o ser humano começou a dominar a técnica da fundição. Inicialmente, utilizou como matéria prima o cobre, o estanho e o bronze (uma liga de estanho), metais cuja fusão é mais fácil. Somente em 1200 a.c, aproximadamente, começa-se a trabalhar com ferro. Após milhares de anos, os princípios do processo de fundição continuam os mesmos, mas aprimoramentos técnicos proporcionaram um controle maior sobre o processo, assim como sua automação. Dessa forma, tal desenvolvimento, junto à softwares que permitem a simulação de fenômenos de solidificação, possibilitaram a fabricação de produtos cada vez mais sofisticados. O processo A fundição é definida como conformação de metais e ligas a partir do material líquido, vazado em moldes apropriados onde, ao solidificar-se, toma-lhe a forma, resultando em produtos acabados (pe- 1
ças, componentes) ou semi-acabados e matéria prima para processamento mecânico (tarugos, lingotes, chapas). É de grande importância para a indústria, pois praticamente todo produto metálico passa por um processo de fundição em um momento de sua produção. O Molde pode corresponder à forma final da peça desejada ou pode conferir à peça determinada forma, que ainda sofrerá posteriores tratamentos de conformação no estado sólido até chegar às dimensões desejadas. A cavidade no molde é conhecido como negativo da peça. Basicamente, no processo de fundição, o metal líquido é vazado em um molde e ocupa a sua geometria. Após ser resfriado, o material se solidifica e é então retirado de dentro do molde. Desse forma, este processo possibilita a confecção de peças com grande variedade e complexidade de formas. Aplicação Essa técnica é amplamente utilizada para a fabricação de: Partes de motores; Turbinas hidráulicas e a gás; Equipamentos e ferramentas para a indústria mecânica; Laminadores; Hélices e âncoras de navios; Válvulas de alta e baixa pressão; Sapatas de freios; Rodas de automóveis; Artefatos para uso doméstico. 2
Vantagens e Desvatagens Em processos de fundição, não há limite de peso e de dimensão para as peças confeccionadas, permitindo, ainda, que sejam fabricadas formas de grande complexidade. Além disso, apresenta baixo custo de produção e grande versatilidade, assim como também a possibilidade de se trabalhar com uma ampla gama de metais e ligas. A partir dele, pode-se obter peças com elevada precisão dimensional e qualidade de acabamento, garantindo também que ela esteja, ao menos, próxima de sua dimensão final, reduzindo a necessidade de um processo de usinagem posterior e a consequente perda de material. Entretanto, alguns materiais podem apresentar reações com os moldes ou dificuldades em se alcançar o estado de fusão. Há também a necessidade do processo ser realizado em atmosferas inertes. A peça final pode apresentar defeitos devido à formação de inclusões, trincas ou cavidades de contração e porosidades. Ademais, pode ocorrer a segregação de solutos. Solidificação de Metais e Ligas Conforme discutido anteriormente, o processo de fundição envolve a fusão do metal ou liga, seu posterior vazamento em um molde, a solidificação da peça e, na sequência, sua remoção do molde. O escoamento do metal líquido na cavidade do molde é influenciado por alguns parâmetros, que variam conforme o processo de fundição utilizado: 1. Temperatura de vazamento: um material metálico apresenta uma temperatura de fusão bem definida, ou seja, inicia e finaliza o processo de solidificação em uma temperatura bem determinada. Em contrapartida, as ligas apre- 3
sentam uma temperatura no inicio do processo de solidificação e outra ao terminar. Dentro da faixa de temperaturas em que ocorre a solidificação para uma liga, existe sempre uma mistura de sólido e líquido. A temperatura de vazamento de uma liga deve sempre ser tal que garanta que o material esteja com 100% de líquido (superaquecimento). O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem uma mistura de sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde. 2. Taxa de resfriamento: possui grande influência no desenvolvimento da estrutura do fundido. O critério que descreve a cinética da interface sólido-líquido é dado por G/R, onde G é o gradiente térmico e R a taxa na qual a interface sólido-líquido se movimenta. Normalmente, G se encontra entre 10 2 e 10 3 K/m e R entre 10 4 e 10 3 m/s. Estruturas dendríticas (estrutura de solidificação normalmente encontrada em fundidos) apresentam valores da razão G/R entre 10 5 e 10 7. Por sua vez, frentes planas de solidificação possuem estes valores entre 10 10 e 10 12. 3. Fluidez: é a capacidade do metal líquido preencher as cavidades do molde. Essa propriedade depende de características do metal e de parâmetros utilizados na fundição. Com relação ao metal, a fluidez depende da viscosidade, tensão superficial, inclusões e padrão de solidificação da liga. No que se refere aos parâmetros de fundição, a fluidez depende do projeto e do material do molde, além de seu 4
acabamento superficial, grau de superaquecimento, taxa de vazamento e transferência de calor. 4. Existência de turbulência: O escoamento de metais e ligas metálicas em estado líquido superaquecidos são semelhantes entre si e ao escoamento da água. É necessário que o sistema de canais do molde seja projetado de forma a reduzir a turbulência. Essa característica pode ser quantificada pelo número de Reynolds (Re), que depende da velocidade do escoamento, do diâmetro hidráulico do canal e da viscosidade cinemática do líquido. Na maioria dos casos, o fluxo se aproxima do turbulento, provocando, assim, reações do metal líquido, levando a formação indesejável de bolhas de gás que podem ficar presas e produzirem defeitos nas peças fundidas. 5. Contração de solidificação: a maioria dos metais comercialmente utilizados apresenta contração durante o processo de solidificação. Sendo assim, esse fato deve ser considerado na fabricação do molde. De forma a compensar essa contração, existe no projeto do molde a adição de um recipiente para o metal líquido denominado massalote, que é o último componente se solidificar e concentra a contração de solidificação. Ele é retirado da peça após a solidificação e desmoldagem, sendo posteriormente sucateado. 6. Transferência de calor no molde: Fatores como fluidez e taxa de resfriamento dependem da temperatura e, portanto, também da transferência de calor do molde. 7. Tempo de solidificação: O tempo de solidificação da peça no molde 5
é função do volume do fundido e da sua área superficial. Podem ocorrer diferentes tipos de micro e macroestruturas, dependendo de como ocorre o resfriamento/solidificação do material que foi fundido. Diferentes tipos de zonas estruturais vão surgir, devido ao uso de moldes em temperaturas inferiores às do material fundido. De acordo com a distância até as paredes do molde, três regiões se formam no material. Zona Coquilhada: Os grãos do material possuem pequenas dimensões, orientações cristalográficas aleatórias, crescimento equiaxial. É a região formada na periferia, junto às paredes do molde. Zona Colunar: Apresenta grãos alongados, cujo crescimento ocorre na mesma direção, mas sentido oposto, do fluxo de calor. Se encontra numa região intermediária, entre a periferia (zona coquilhada) e o centro da seção. Zona Equiaxial Central: Os grãos são equiaxiais, de média dimensão e possuem orientações cristalográficas aleatórias. É a região formada no centro da seção. 6
Formação de Defeitos Em processos de fundição, há vários defeitos ou mesmo efeitos indesejáveis possíveis de ocorrer. Dentre eles estão: 1. Crescimento dendrítico: ocorre a formação de dendritas que se encontram em planos diagonais, formando planos de maior fragilidade, onde podem aparecer fissuras ou trincas durante processos posteriores de conformação plástica. 2. Ocorrência de contração de volume: provoca a formação de rechupe (vazio ou chupagem). Essa região deve ser retirada da peça. Em peças fundidas, essa é a região do massalote ou alimentador. A contração durante a solidificação pode acarretar no aparecimento de tensões residuais (que são causadas por deformações plásticas não homogêneas) e trincas a quente. A contração de solidificação também ocorre junto as dendritas, causando a ocorrência de micro-rechupes. 3. Não preenchimento completo do molde: esse tipo de defeito pode ser causado por temperaturas de vazamento baixas. 4. Concentração de impurezas em algumas regiões: pode ser consequência da segregação durante o processo de solidificação. Em ligas, os elementos com mais baixo ponto de fusão se concentram no líquido. Sendo assim, a última região a solidificar é a mais rica nesses elementos. 5. Gases: quando formados durante o processo de fundição, podem formar bolhas tanto na superfície 7
quanto no interior das peças. No interior das peças, a porosidade formada pelos gases se diferencia dos microrechupes por apresentar formas mais aredondadas. 6. Presença de inclusões: a presença de inclusões de elementos não metálicos, como SiO 2 e MnO, causam a redução de propriedades mecânicas das peças fundidas e podem comprometer os lingotes em processos posteriores de deformação plástica. Etapas O processo de fabricação de peças a partir da fundição pode ser dividido em 10 etapas, sendo elas apresentadas a seguir. o molde. Estes modelos são formados pela réplica da peça, canais, respiro, alimentadores e resfriadores. Podem ser construídos da seguinte forma: Montagem manual: modelos feitos de isopor, madeira, entre outros materiais. Por fundição: modelos de cera ou polímeros. Usinagem CNC: modelos de madeira, polímeros ou mesmo materiais metálicos. Usinagem de precisão: modelos metálicos obtidos por processo de eletroerosão. Prototipagem rápida: modelos poliméricos. 1. Modelação: Esta etapa consiste na confecção do modelo: uma réplica da peça que é utilizada para confeccionar Os canais são os elementos que permitem um preenchimento homogêneo do metal líquido dentro do molde. Sua construção requer 8
cuidados com relação a geometria, de modo a evitar escoamentos turbulentos e a formação de bolsas de ar. O respiro é o elemento que permitirá a saída do ar do interior das cavidades. que são necessárias nas peças fundidas (principalmente orifícios). Sua função no molde é formar uma seção cheia onde o metal não penetrará, de modo que a peça final apresente um vazio naquela região. Alimentadores são utilizados para que haja mais metal fundido em regiões adequadas, de modo a se evitar rechupes. Por fim, resfriadores são responsáveis por direcionar o fluxo do líquido, evitando, assim, a formação de rechupes. 2. Moldagem e Macharia: Etapa onde são confeccionados o molde e os machos. O molde é constituído por todas as cavidades a serem preenchidas pelo metal líquido. Por sua vez, os machos correspondem às cavidades 3. Fusão: Nessa etapa ocorre o aquecimento da matéria prima que será vazada na cavidade do molde até temperaturas superiores ao seu ponto de fusão. 4. Vazamento: 9
O vazamento corresponde a um conjunto de métodos utilizados rebarbeamento, onde são retiradas as sobras e as rebarbas utilizando esmeris ou lixadeiras. para despejar o metal líquido dentro do molde. 5. Desmoldagem: Na etapa de desmoldagem, após a solidificação do material, a peça fundida é retirada do interior do molde. 6. Inspeção: A peça formada é analisada para detecção de possíveis defeitos. 7. Pós-operações: Os canais são cortados e a peça passa por um processo de limpeza. Após a retirada do molde de fundição, a peça possui diversas rebarbas causadas pelo vazamento através dos canais de respiro. Desse modo, é necessária a "limpeza"da peça através do des- 8. Recuperação: Passam por esta etapa as peças que apresentarem algum defeito não comprometedor que é detectado durante a análise. 9. Conformação final: Se necessário, a peça é submetida há processos de usinagem ou conformação plástica para obter a dimensão e acabamento superficial desejados. 10. Tratamentos térmicos e outros: Por fim, podem ser aplicados à peça tratamentos térmicos ou termoquímicos para adequar as suas propriedades aos requisitos de projeto. 10
Classificação Com relação ao material adotado na fabricação do molde, os processos de fundição podem ser classificados em: Moldes Colapsáveis Moldes Permanentes (Coquilhas) Moldes Semi-permanentes A seguir, são apresentadas mais informações a respeito de cada grupo. Moldes Colapsáveis Os processos que são classificados dessa forma são aqueles que utilizam moldes de material refratário e que são quebrados para a retirada do fundido. Dessa forma, cada molde se presta a somente um vazamento. Entretanto, após Esse tipo de molde permite que sejam fabricadas várias peças em um único vazamento, ou seja, o molde pode conter várias cavidades a serem preenchidas com metal líquido. Os processos com moldes colapsáveis são aqueles que utilizam: Areias + ligantes inorgânicos: areia seca, areia verde, areia cimento e silicato de sódio/co 2. Areias + ligantes orgânicos: moldagem em casca (shell molding) e resinas de curo a frio. Areias sem ligantes: molde cheio, moldagem a vácuo e moldes congelados. Outros refratários: Cera perdida e CLA. a desmoldagem da peça, alguns materiais podem ser recuperados para a construção de outro molde. 11
Areias com ligantes inorgânicos Fundição em areia verde O processo de fundição em areia verde é o mais popular (aproximadamente 90% - em volume do metal líquido - da produção de fundidos). Possui baixo custo de produção e pode ser utilizado em pequenas e elevadas produções, devido, principalmente, a sua elevada versatilidade quanto ao peso (de peças com poucas gramas até dezenas de toneladas). Entretanto, como se faz necessário o uso de um modelo, a complexidade de geometrias é limitada. É utilizado para ligas ferrosas e não ferrosas. O material de moldagem é constituído por areia (75%), argila (de 3 a 15%), água e outros aditivos para fins específicos, e pode ser reutilizado. Este processo permite que o molde, após estar pronto, receba o vazamento imediatamente e pode ser facilmente mecanizável. O modelo é fabricado em partes para permitir a sua retirada do molde, enquanto os machos são construídos em areia com resinas, separadamente, nas chamadas caixas de macho. A desmoldagem se dá através da quebra do molde. Fundição em areia seca A fundição em areia seca é semelhante ao processo em areia verde, mas há necessidade de secagem antes do molde receber o metal líquido. A composição do material de moldagem é de areia e ligantes (óleos vegetais ou derivados de petróleo), que fornecem resistência mecânica após secagem. A confecção do molde é semelhante ao processo de fundição em areia verde, exceto pela presença de uma etapa final de secagem em uma estufa em temperaturas entre 200 e 300 C. A secagem 12
proporciona o aumento das resistências mecânica e à erosão do metal líquido e diminui o teor de água no molde, reduzindo a possibilidade de certos tipos de defeitos na peça fundida, como a porosidade. Após a secagem, os moldes devem receber o metal líquido imediatamente para se evitar drenagem de água das camadas externas para a superfície interna do molde. De forma geral, fornece fundidos de melhor qualidade que a fundição em areia verde, mas apresenta um custo superior devido à existência de uma etapa a mais. Sua maior aplicação se dá para moldes de grandes dimensões, na confecção de machos e na moldagem feita por partes de moldes grandes ou muito complexos. Assim como a fundição em areia verde, a areia também pode ser reutilizada. Processo silicato de sódio/co 2 Para este caso, a areia do processo de fundição é composta por areia, Na 2 SiO 3 e CO 2. Para a confecção do molde, adiciona-se a substância Na 2 SiO 3 H 2 O em estado líquido à areia e, em seguida, coloca-se essa mistura sobre o modelo, utilizando vibração para acomodação da areia (compactação leve, manual ou vibração). Por sua vez, o gás CO 2 é passado pelo interior da areia. Dessa reação surgem as substâncias SiO 2 H 2 O (sílica gel) e Na 2 OSiO 2 (silicato vítreo). A sílica gel envolve os grãos de areia, proporcionado coesão e plasticidade. Já o silicato vítreo fornece forte ligação e alta resistência mecânica ao molde. A fração encontrada de sílica gel e de silicato vítreo varia conforme o tempo de gaseificação, influenciando, portanto, na resistência mecânica do molde. De modo geral, trata-se de um processo com alta versatilidade, permitindo a fabricação de moldes de pequenas, médias e grandes dimensões. Pode ser utilizada com materiais ferrosos e não ferro- 13
sos. Além disso, fornece fundidos de boa qualidade superficial e alta precisão dimensional. Entretanto, apresenta maior custo em relação ao processo em areia verde e a areia não é recuperável. É popularmente usado na fabricação de machos, moldes que requeiram bom acabamento e na moldagem de peças grandes por partes. Processo areia cimento Sua utilização comercial teve início nos anos 50, sendo seu uso popular para confecção de moldes de grande porte e para ligas ferrosas. A areia cimento é composta por uma mistura de areia, cimento (de 8 a 10%) e água (de 4 a 7%. Não é necessário o uso de caixas de moldagem, somente molduras, pois a alta resistência mecânica do cimento sustenta o molde. Também não necessita de elevada compactação. O modelo é retirado após cura parcial. Trata-se de um processo lento devido ao tempo de secagem do cimento, onde vários dias podem ser requeridos. Fornecem moldes com elevada resistência mecânica, mas com reduzida colapsibilidade. A areia não é recuperável. Areias com ligantes orgânicos Resinas de cura a frio Esse método tem sido desenvolvido desde o início dos anos 50 do século XX e revolucionou a tecnologia de moldagem, pois dispensa elevadas temperaturas, já que elimina a presença de gases provenientes da queima de componentes orgânicos e longos tempos de cura. É adotado para uma ampla gama de processos (produtos) disponíveis, com diferentes denominações comerciais. Na presença de um catalisador, as resinas adicionadas à areia polimerizam em temperatura ambiente, levando tempos da ordem de minutos ou segundos. Os processos de fundição de resinas de cura a frio utilizam modelos de madeira 14
e fornecem moldes de elevada resistência e de alta colapsabilidade, sem necessidade de elevado grau de compactação. Proporcionam moldes manuseáveis que são úteis para a moldagem por partes. Além disso, atendem à fundidos de grandes dimensões e/ou geometrias complexas. Os materiais fundidos provenientes desse processo possuem excelente precisão dimensional e acabamento superficial. É uma boa escolha para produção em grande escala devido à sua rapidez. Entretanto, a resina utilizada pode apresentar custo elevado. Moldagem em casca Também conhecido como processo Shell, foi primeiramente utilizado na Alemanha durante a década de 40. Atualmente, é amplamente utilizado para os mais variados produtos e ligas. A mistura de moldagem é composta por areia e resinas de cura a quente, que, normalmente, são fenol-formaldeído, ureia-formaldeído ou alquídicas. Os modelos são construídos a partir de materiais metálicos (ligas de alumínio, ligas de Fe-C, entre outros) estáveis à temperatura de cura da resina e possuem bom acabamento superficial. Ele é aquecido entre 175 e 370 C e, em seguida, é colocado dentro de uma caixa com a mistura de areia resinada. A caixa é então movimentada, permitindo a adesão da areia sobre a superfície do modelo, pois, com o aquecimento, a resina da areia polimeriza e forma uma casca sobre ele. Essa casca (Shell) é destacada do modelo e as partes são fechadas para montagem do molde, estando pronto para o vazamento do líquido. Duas técnicas são comumente utilizadas para a moldagem: 15
Tamboreamento: a areia é mantida no interior da caixa e o modelo é preso sobre ela, que é então virada de modo a deixar cair areia sobre o modelo. Sopramento: neste caso, a areia é soprada para a cavidade que se forma entre modelo e placa de fechamento (que estão aquecidas), produzindo uma casca de espessura uniforme e controlada. Os equipamentos dessa técnica possuem elevados custos, tornando seu uso justificável apenas para fabricação de grandes quantidades de peças (dimensões pequenas/médias). É muito utilizado para confecção de machos. De forma geral, o shell molding fornece fundidos com excelente acabamento e precisão dimensional (devido, em grande parte, ao uso de areias de granulometria fina que possibilitam alta fluidez e tornam desnecessária a sua compactação). Sendo assim, o processo permite alta flexibilidade de formas. Tem grande aplicação comercial na indústria automobilística, para a fabricação de componentes em ligas de alumínio e na produção de peças como engrenagens, onde grande precisão e bom acabamento superficial são necessários. Dependendo da construção do modelo, mais de uma peça pode ser feita em um único vazamento. A areia não é recuperável. Areias sem ligantes Molde cheio Também conhecido como fundição em molde sem cavidade ou processo EPC (Evaporative Pattern Casting), pois o modelo é construído em material vaporizável a uma temperatura menor que a temperatura de fusão do metal (poliestireno ou polimetil-metacrilato expandi- 16
dos), sendo, portanto, destruído durante o processo. Para os casos de fundidos de grandes dimensões e baixa produção, a confecção dos modelos é feita por meio da usinagem de blocos. Deve possuir canais e alimentadores, além de ser recoberto com uma pintura refratária, que constituirá a superfície interna do molde, prevenindo, assim, a queda de grãos de areia, e controlando a taxa de saída de gases e o acabamento da peça. Por sua vez, a confecção dos moldes utiliza areia seca de alta fluidez (ou seja, com grãos bem pequenos), sem ligantes, e é colocada sobre o modelo. Para ajuste da areia ao modelo, aplica-se somente vibração, não ocorrendo compactação. Isso permite a saída dos gases produzidos. O metal é vazado diretamente sobre o modelo, sendo essenciais o controle do tempo de vazamento (para evitar o colapso do molde) e que a areia tenha permeabilidade adequada. O processo permite fundidos de geometrias complexas, com alta precisão dimensional. Como o molde não é dividido em duas partes, tem-se ausência de defeitos de linhas de partição de moldes. É um processo adequado para pequena e grande produção de ferrosos e não ferrosos. A areia do processo é recuperável. Moldagem a vácuo Nesse tipo de molde, o modelo é feito em madeira, plástico ou metal, e montado em caixas de moldar ocas, conectadas à bomba de vácuo. Uma película de plástico reveste o modelo e o vácuo aplicado na caixa de moldar promove a sua aderência. A areia é depositada sobre o plástico/modelo, aplicando-se vibração para sua acomodação, e é recoberta com película de plástico. É feito vácuo na caixa contendo a areia, produzindo 17
a sua compactação. O ar é injetado no modelo, desprendendo a película, constituindo, assim, o molde. As partes do molde são montadas e é feito o vazamento. O metal é vazado diretamente no molde e a desmoldagem é imediata, bastando injetar ar no molde. Vantagens do processo: Menor custo do material de moldagem; Maior vida de moldes; Não poluentes; Não ocorrem defeitos nos fundidos devido a ingredientes voláteis na areia de moldagem; Produz fundidos de boa precisão dimensional, com bom acabamento e peças de pequeno à grande porte; Utiliza areia recuperável. Moldes congelados A mistura de moldagem é constituída por areia e água, podendo ou não conter argila. Esse processo é similar às outras moldagens que utilizam areias, exceto pela aplicação de N 2 líquido, que promove o aumento da coesão da areia devido ao seu congelamento. Na sequência, devido a um aquecimento repentino, ocorre o colapso da areia após a formação de espessura de sólido suficiente para conter o metal. Assim, pode-se dizer que a desmoldagem é espontânea. O molde possui ótimas propriedades mecânicas, comparáveis, inclusive, aquelas obtidas por processo silicato de Sódio/CO 2. Os fundidos apresentam boa qualidade superficial em ligas de baixo ponto de fusão. Devido ao rápido resfriamento, não ocorrem zonas coquilhadas ou colu- 18
nares, formando uma estrutura isotrópica. A areia é 100% recuperável. Outros refratários Processo CLA O processo CLA (Counter Gravity Low Pressure Air Melt Alloys) é utilizado para a produção de fundidos de elevada qualidade (que necessitam de grande precisão) e de pequenas dimensões. Normalmente, são utilizadas ligas sensíveis à oxidação (ligas Alumínio-Lítio e ligas de Titânio). Um molde tipo casca (que é construída por outros refratários, como o processo da cera perdida) é colocada em uma câmara submetida a vácuo. O preenchimento se dá por aspiração do metal fundido. Após certo tempo de solidificação, é permitido a entrada de ar e o excesso de líquido volta por gravidade para o cadinho. Sendo assim, é necessário controle da temperatura de vazamento e, principalmente, do tempo de vácuo. Uma das maiores vantagens desse processo está relacionada a eliminação de operações de corte de canais e de refugos de canais, resultando na redução de custos operacionais, energéticos e de material. Além disso, devido às características do processo, há uma redução da turbulência no escoamento durante o vazamento e na quantidade de gases retidos. Como o metal é aspirado, este não necessita de elevada fluidez e, portanto, a temperatura de vazamento pode ser reduzida. Cera perdida Processo conhecido na China e no Egito há mais de 4.000 anos, a cera perdida é muito utilizada na manufatura de objetos decorativos (esculturas), jóias e ornamentos, além de componentes de precisão, principalmente na industria aeronáutica. Antigamente, utilizava- 19
se cera de abelha, que, após o reaquecimento, perde suas propriedades de conformação. Entretanto, atualmente, usam-se parafinas, que não apresentam esse problema e podem ser reutilizadas. Uma das grandes desvantagens é a destruição do modelo durante o processo, o que torna necessário a construção de um modelo para cada peça produzida. O modelo construído em cera é confeccionado por injeção em moldes metálicos de elevada precisão, dentro de moldes poliméricos ou até mesmo de gesso. Como dezenas de modelos são montados em um único ramo central, formando uma árvore, podem ser fabricadas várias unidades de uma peça em em conjunto com elementos ligantes à base de etilsilicatos, Na-silicatos ou sílica gel hidratada, que adere à cera, formando uma casca superficial bastante lisa. Em seguida, o conjunto é mergulhado em leito fluidizado e a casca fica revestida com grãos mais grosseiros de materiais refratários à base de zirconita e alumino-silicatos. Posteriormente, passa por uma etapa de secagem por aquecimento para que ocorra desidratação da sílica gel e a volatilização da cera-parafina (que, inclusive, pode ser recuperada), gerando a cavidade do molde. Então, é levado ao forno para a cura da casca, que torna-se rígida e com espessura da ordem de 5 a 15 mm. uma única vez. A árvore é mergulhada em uma pasta refratária (Al 2 O 3, SiO 2, gesso, silicato de Zr ou outros refratários de granulometria muito fina, pois é isso que irá determinar o acabamento superficial da peça) O preenchimento com metal líquido é feito utilizando os efeitos da gravidade ou da centrifugação. Na sequência, ocorre a desmoldagem através da quebra das cascas. Os fundidos resultantes 20
possuem excelente acabamento e precisão. Aços diversos e ligas especiais podem ser utilizadas para os fundidos. O processo permite a fabricação de peças com geometrias complexas, seções reduzidas e/ou finas. Entretanto, o fundido apresenta limitações de peso. Além disso, equipamento e mão de obra apresentam custos significativos e o processo é laborioso e lento. A utilização de moldes permanentes, também conhecidos como coquilhas ou matrizes (ilustradas na figura acima), dispensa a construção e o consequente uso de modelos. Eles são fabricados em processos de usinagem de precisão. A desmoldagem se dá, simplesmente, pela abertura do molde e um novo vazamento nele mesmo pode ser feito imediatamente. Como o custo de fabricação é elevado, Moldes Permanentes (Coquillhas) seu uso só é justificável para grandes volumes de produção. Entretanto, o molde apresenta longa vida útil e centenas de milhares de vazamentos podem ser feito em uma única unidade. Os fundidos obtidos a partir desse tipo de molde possuem elevada qualidade superficial e melhor microestrutura, graças ao rápido resfriamento. Para a construção do molde, devem ser empregados materiais com temperatura de fusão muito acima da liga fun- 21
dida. Normalmente, são adotados ferro fundido, aços resistentes ao calor, ligas Cromo-Níquel (para metais com alta temperatura de fusão) ou ligas Cobre- Berílio (para outras ligas de cobre). São confeccionados em partes desmontáveis, que são facilmente encaixáveis. Entretanto, em seu projeto de fabricação, devem ser consideradas a expansão e contração térmica do material. Devem ser providos de canais, marcações de macho, respiros para saída de ar e alimentadores, além de mecanismos para fechamento do molde e ejeção do fundido. Suas paredes não devem apresentar espessuras muito distintas, de modo a minimizar gradientes térmicos na coquilha e aumentar sua vida útil. Os diferentes processos que utilizam moldes permanentes se diferenciam pelo modo como é efetuado o preenchimento do molde. Desse modo, tem-se os seguintes grupos: Fundição por gravidade Fundição sob pressão Fundição a vácuo Fundição por compressão Fundição por centrifugação A seguir, serão expostos maiores detalhes a respeito de cada tipo. Fundição por gravidade Neste tipo, o preenchimento do molde ocorre devido a ação da gravidade. Possui um ciclo de produção breve e que pode ser reduzido com o uso de refrigeração a água ou ar. É adequado para médios e grandes volumes de produção, princialmente de ligas não ferrosas. Entretanto, a parede do molde não deve possuir espessura inferior a 7 mm, pois, do contrário, a elevada extração de calor reduziria a fluidez do metal rapidamente. Do mesmo modo, não é possível a confecção de fundidos 22
de geometrias complexas, pois com a extração do calor e perda de fluidez, o material solidificaria antes de preencher os detalhes. Como há alta extração de calor na coquilha, a fundição de aços por essa técnica geraria altos gradientes térmicos devido às elevadas temperaturas de fusão. Sendo assim, esses metais não podem ser utilizados nesta técnica. O vazamento deve ser realizado pela parte superior ou por canais que proporcionam o acesso do líquido pela parte inferior. Após a solidificação, a abertura para ejeção do produto deve ser realizada o mais rápido possível para que as contrações devido ao resfriamento da peça não sejam restringidas pela contração da coquilha. Fundição sob pressão O vazamento sob pressão garante que ocorra o perfeito preenchimento do molde. Tais pressões são da ordem de 70 kg/mm 2 e são mantidas até o final da solidificação. Os moldes são fabricados em ligas especiais, resistentes às altas temperaturas e à abrasão. Tanto o molde quanto a câmara de injeção são pré-aquecidos no início da operação e revestidos com lubrificantes anti-fricção. Podem se produzidas uma ou mais peças em cada ciclo. O fundido resultante dessa método apresenta alta qualidade superficial e alta precisão dimensional. Normalmente, possui paredes finas e geometrias complexas. Sua estrutura é refinada e com boas propriedades mecânicas. Entretanto, esse processo não permite a fabricação de peças com cavidades muito intrincadas e a forte turbulência no preenchimento pode ocasionar porosidades e inclusões. Possui ampla aplicação comercial em médias e grandes produções e com peça de pequenas 23
e médias dimensões, normalmente de ligas de alumínio, cobre ou zinco. O processo possui alto custo de equipamento e ferramental e apresenta limitações quanto à temperatura de vazamento. Mas o reduzido custo operacional somado as elevadas taxas de produção (graças a possibilidade de automação do processo) e a grande qualidade do produto, podem compensar os problemas expostos. Este processo pode ainda ser subdividido em: Injeção em câmara quente: Possui câmara de injeção imersa no líquido. Uso restrito aos metais com baixa temperatura de fusão, como as ligas de zinco, chumbo e estanho. Indicado para ligas reativas, como a de magnésio, pois previne o seu contato com a atmosfera. Injeção em câmara fria: Nesse tipo, as unidades de injeção e manutenção do líquido são independentes. As pressões utilizadas são inferiores às da injeção em câmara quente. Indicada para elevadas taxas de fabricação. Fundição a baixa pressão: Possui menor custo de capital e operacional do que os processo de injeção, já que, por exemplo, elimina operações de corte, uma vez que os canais não se solidificam. Entretanto, a reduzida pressão pode ocasionar defeitos de preenchimento em fundidos de paredes finas e mal acabamento. Utilizado, principalmente, para ligas de alumínio. Fundição a vácuo Técnica desenvolvida nos anos 80, a fundição a vácuo apresenta a montagem do molde semelhante a da fundição a baixa pressão. 24
O molde é colocado sobre a panela que contém o metal em estado líquido. A conexão, por sua vez, é feita por canais imersos no banho, onde mais de um canal pode ser utilizado simultaneamente. O preenchimento ocorre por sucção do líquido pela aplicação de vácuo à cavidade do molde. Essa técnica permite um fluxo de líquido ascendente e sem turbulência. Os fundidos apresentam elevada densidade e são livre de óxidos e gases. Fundição por compressão A fundição por compressão, também chamada de forjamento líquido, é uma técnica conhecida pelos soviéticos desde os anos 60 do século XX, mas seu uso comercial vem se ampliando apenas nos últimos 20 anos. Essa técnica permite a fabricação de fundidos com geometrias complexas e com alta densidade, algo similar ao que é tipicamente observado em peças forjadas. O molde é fabricado em partes machofêmea e é mantido fechado durante a solidificação, de modo a manter a pressão constante (da ordem de 150 a 300 kg/mm 2 ), garantindo um íntimo contato metal/molde. O líquido é vazado em um molde préaquecido e a taxa de resfriamento é ligeiramente alta, o que proporciona o refino da estrutura. A técnica apresenta elevado custo de ferramental e equipamentos, mas os fundidos resultantes desse processo possuem grande precisão dimensional. Não há necessidade de se utilizar canais e alimentadores. Fundição por centrifugação Esse processo é subdividido em três categorias: centrifugação total, centrifugação parcial e somente preenchimento por centrifugação. 25
Centrifugação total A técnica de fundição por centrifugação é conhecida desde o início do século XIX. Nela, o metal líquido é vazado no eixo de rotação de moldes que estão girando e, portanto, não se faz necessário o uso de alimentadores, canais e machos. O metal se solidifica sob a ação de pressão resultante de reações centrífugas. Os moldes normalmente são feitos de materiais metálicos, mas também podem ser confeccionados em areia ou mesmo em casca. Os fundidos resultantes desse processo são livres de inclusões, de porosidade (geradas pela retenção de gases) e de impurezas mais leves que o metal. Além disso, apresentam bom acabamento superficial, ausência de defeitos de preenchimento e reduzidos vazios de contração. Esse processo é utilizado com ligas ferrosas e não ferrosas. Centrifugação parcial A centrifugação parcial é comumente empregada para a confecção de fundidos de grandes dimensões e que apresentam eixo de simetria (rodas, engrenagens, entre outros). O molde é posicionado verticalmente e girado em torno desse eixo. Em seguida, o metal líquido é vazado por um canal central, preenchendo um alimentador. De lá, o líquido é forçado para a cavidade do molde pelas ações da reação centrífuga, que auxilia o preenchimento do molde, e da alimentação. Assim, a geometria do fundido será idêntica à da cavidade do molde. Somente preenchimento por centrifugação Processo semelhante a centrifugação parcial, nele o molde é constituído por diversas cavidades (que não são ne- 26
cessariamente idênticas) montadas em torno de um canal alimentador. Eliminação de operações de desmoldagem e limpeza. O canal central deve coincidir com o eixo de rotação do conjunto. O metal é vazado no molde em rotação Reduzido tempo total de solidificação. e, com o efeito da reação centrífuga, ocorre o preenchimento das cavidades a partir do alimentador. A rotação é mantida até o final da solidificação de modo a garantir a perfeita alimentação. Essa técnica pode ser utilizada para a fabricação de fundidos de pequenas dimensões e permite a produção de várias peças simultaneamente. Vantagens e Desvantagens Com relação aos molde colapsáveis, os moldes permanentes possuem vantagens e desvantagens. Vantagens Reduzido custo operacional. É desnecessária a construção de um modelo. Desvantagens Elevado custo de fabricação de moldes, pois requerem elevada qualidade na confecção e equipamentos mais sofisticados. Maior restrição quanto a geometria, dependendo do tipo de coquilha escolhida. Alta produtividade, devido a facilidade de desmoldagem, redução de custos e automatização. Limitados a materiais de reduzida contração. 27
Exemplo Petrobras Biocombustível - 2011 - Engenheiro de Equipamentos Júnior - Inspeção - 69 Com vistas ao processo de fundição em areia, associe a coluna à esquerda às suas respectivas características, expostas na coluna à direita. I - molde II - macho III - fusão IV - vazamento P - A peça solidificada é retirada do molde. Q - É feito em areia e tem a finalidade de formar os vazios, os furos e as reentrâncias da peça. R - O enchimento do molde é feito com metal líquido. S - É o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça. T - Acontece em fornos especiais em alta temperatura. A associação correta é (A) I - P, II - S, III - Q, IV - T. (B) I - Q, II - T, III - S, IV - P. (C) I - R, II - Q, III - T, IV - P. 28
(D) I - S, II - T, III - P, IV - R. (E) I - S, II - Q, III - T, IV - R. Solução: Como discutido ao longo do texto, o molde construído a partir do modelo corresponde a todas as cavidades a serem preenchidas com metal líquido. Logo, I está associado a S. Já os machos são construídos e inserido para preservar às cavidades que são necessárias nas peças fundidas (principalmente orifícios), evitando que ali o metal penetrare. Assim, II se relaciona com Q. A fusão de uma material nada mais é que a sua mudança de estado sólido para líquido. Para que essa transformação ocorra, é necessário que o material seja submetido a uma temperatura maior que a sua temperatura de fusão (T f ). No caso de metais e ligas metálicas, T f é muito superior a temperatura ambiente, necessitando, assim, do uso de fornos especiais. Portanto, III se associa a T. Por último, o vazamento consiste no preenchimento das cavidades do molde com o metal líquido. Sendo assim, IV e R estão correlacionados. O item P corresponde a etapa de desmoldagem, que não aparece na coluna da esquerda. Resposta: E 29
Caiu no concurso! Petrobras Biocombustível - 2010 - Engenheiro de Equipamentos Júnior - Inspeção - 33 Um inspetor da Petrobras, ao realizar um ensaio de ultrassom em um tubo novo, fabricado por fundição centrífuga, percebe diversos vazios pontuais nas paredes do tubo. Ao avaliar o resultado deste ensaio, conclui-se que o(s) (A) Processo de fundição não foi realizado corretamente, sendo indicada a utilização de um massalote para evitar a formação de vazios e segregação. (B) Defeitos foram provocados pela contração do metal durante a solidificação, proporcionando vazios no interior do tubo onde o metal se solidifica por último. (C) Defeitos são oriundos da absorção dos gases, por meio da parede do molde em areia verde que, além de poros, proporcionam a aparência rugosa do tubo. (D) Defeitos são oriundos da diminuição da viscosidade do metal ao se solidificar, dificultando a fuga dos gases diluídos no metal líquido e gerando bolhas no interior do tubo. (E) Defeitos foram provocados pela absorção do ar comprimido quanto injeta o metal líquido sob pressão nas paredes do molde. Resposta: D 30
Caiu no concurso! Petrobras Biocombustível - 2012 - Engenheiro de Equipamentos Júnior - Inspeção - 69 As propriedades mecânicas de componentes fundidos são influenciadas pelo tamanho dos seus grãos cristalinos. No que se refere aos aços fundidos de baixa resistência mecânica, considere as afirmativas abaixo. I - O uso de inoculantes durante a solidificação do material favorece o crescimento de grão do material. II - A técnica de inoculação na solidificação caracteriza um tipo de nucleação conhecida como homogênea. III - Menor tamanho de grão diminui a temperatura de transição dúctil-frágil do material. IV - Maior tamanho de grão aumenta o limite de resistência do material. Está correto APENAS o que se afirma em (A) I (B) III (C) I e II (D) I e IV (E) II e III Resposta: B 31
Caiu no concurso! SEDECT - 2008 - Engenharia Metalúrgica - 30 Considere uma fundição em que o modelo padrão é feito a partir de cera ou plástico. Em seguida, despeja-se uma lama fluida ao redor do modelo padrão, que se estabelece e se sedimenta para formar o molde que, em seguida, é aquecido a uma temperatura tal que o modelo padrão se funde e é queimado, deixando para trás uma cavidade de molde no formato desejado. Esse exemplo é um tipo de fundição (A) com matriz. (B) em molde de areia. (C) contínua. (D) de precisão. Resposta: D 32