Processos Metalúrgicos AULA 9-10 FUNDIÇÃO PROF.: KAIO DUTRA
Fundamentos da Fundição de Metais Fundição é um processo no qual metal fundido flui pela força da gravidade, ou por ação de outra força, num molde em que ele solidifica com a forma da cavidade do molde. O termo fundido é aplicado ao componente ou peça obtido por esse processo. O principio da fundição parece simples: fundir o metal, vertê-lo no molde e deixá-lo resfriar e solidificar; no entanto, existem vários fatores e variáveis que devem ser considerados para resultar numa operação bem-sucedida.
Fundamentos da Fundição de Metais O processo de fundição inclui a fundição de lingotes e a fundição de peças. O termo lingote é usualmente associado com a indústria metalúrgica primária; ele descreve um fundido de grande porte que possui forma simples com o intuito de ser subsequentemente conformado de maneira mecânica por processos como laminação ou forjamento. A fundição de peças envolve a produção de geometrias mais complexas que são muito mais próximas da forma desejada final da peça ou do produto.
Processos de Fundição A discussão sobre fundição se inicia logicamente pelo molde. O molde contém a cavidade cuja geometria determina a forma da peça fundida. O tamanho e a forma reais da cavidade devem ser ligeiramente maiores, de modo a permitir a contração que ocorre no metal durante a solidificação e resfriamento. Moldes são feitos de uma variedade de materiais, incluindo areia, gesso, cerâmica e metal.
Processos de Fundição Num molde aberto o metal liquido é simplesmente vertido até preencher a cavidade.
Processos de Fundição Num molde fechado um caminho, denominado sistema de alimentação, é previsto para permitir que o metal liquido flua da parte externa do molde até a cavidade.
Processos de Fundição Uma vez que o fundido se resfriou suficientemente, ele é removido do molde. Dependendo do método de fundição e metal empregado, pode ser necessário processamento posterior. Este pode incluir remoção do excesso de metal da peça fundida (rebarbação), limpeza da superfície, inspeção do produto e tratamentos térmicos para melhorar suas propriedades.
Processos de Fundição Processos de fundição se subdividem em duas grandes categorias, de acordo com o tipo de molde empregado: fundição em moldes perecíveis e fundição em moldes permanentes.
Processos de Fundição Um molde perecível significa que o molde no qual o metal liquido se solidifica deve ser destruído para que se remova a peça fundida. Esses moldes são fabricados com areia, gesso, ou materiais similares, cuja forma é mantida com o uso de aglomerantes de diversos tipos. Fundição em areia é o mais importante exemplo de processos com molde perecível, no qual o metal liquido é vazado num molde base de areia. Após o metal solidificar e adquirir resistência o molde precisa ser sacrificado para a remoção do fundido.
Processos de Fundição O molde permanente pode ser utilizado diversas vezes para produzir muitos fundidos. Ele é feito em metal (ou, menos comumente, numa cerâmica refrataria) que pode resistir as elevadas temperaturas envolvidas nas operações de fundição, Na fundição em moldes permanentes, o molde consiste em duas (ou mais) seções que podem ser abertas para permitir a remoção da peça acabada.
Fundição em Moldes de Areia Fundição em moldes de areia é, de longe, o processo de fundição mais importante O molde consiste em duas metades: parte superior e parte inferior.
Fundição em Moldes de Areia A parte superior é a metade de cima do molde, e aparte inferior, a de baixo. Essas duas partes são contidas numa caixa de moldagem, também bipartida. As duas metades do molde são separadas pela linha de partição.
Fundição em Moldes de Areia Na fundição em areia a cavidade do molde é formada a partir de um modelo, que é feito de madeira, metal, plástico, ou outro material, e tem a forma da peça que será fundida. O modelo é geralmente fabricado em tamanho maior para permitir a contração do metal quando ele solidifica e resfria. A areia empregada na fabricação do molde é úmida e contém um aglomerante para manter sua forma.
Fundição em Moldes de Areia Adicionalmente, a peça pode ter cavidades internas. As superfícies internas são obtidas com o uso do macho, um componente colocado dentro do molde para definir a geometria do interior da peça. Na fundição em areia, os machos são em geral fabricados em areia, embora outros materiais possam ser usados, como metais gesso e cerâmicas.
Fundição em Moldes de Areia Num molde de fundição, o sistema de alimentação compreende o canal, ou rede de canais, através dos quais o metal flui do exterior para a cavidade do molde. O sistema de alimentação tipicamente consiste num canal de alimentação através do qual o metal entra no canal de distribuição e é conduzido à cavidade principal. No topo do canal um funil de vazamento em geral usado para minimizar respingos e turbulência à medida que o metal flui no canal de alimentação.
Fundição em Moldes de Areia Adicionalmente ao sistema de alimentação qualquer fundido que tenha contração significante requer um massalote conectado à cavidade principal. O massalote é um reservatorio de metal que serve como uma fonte de metal liquido para o fundido compensar a contração durante a solidificação. O massalote deve ser projetado para resfriar após a pesa fundida de forma a atender sua função.
Aquecimento do Metal Fornos de aquecimento de diversos tipos são usados para aquecer um metal a uma temperatura suficiente para a fundição. A energia térmica requerida é a soma do calor para aumentar a temperatura até a temperatura de fusão mais o calor de fusão para converte-lo do estado solido ao líquido mais o calor para que o metal liquido atinja a temperatura adequada ao vazamento. H=ρV(Cs(Tf-To)+Hf+Cl(Tv-Tf)) Esta equação tem valor conceitual.
Vazamento do Metal Fundido Após a etapa de aquecimento e fusão, o metal está pronto para o vazamento. A introdução do metal fundido no molde, incluindo seu fluxo por meio do sistema de canais e na cavidade do molde, é uma etapa critica do processo de fundição. Para que essa etapa seja bem-sucedida, o metal deve atingir todas as regiões do molde antes da solidificação. Fatores que afetam a operação de vazamento incluem temperatura de vazamento, velocidade de vazamento e turbulência.
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Existem diversas correlações que governam o fluxo do metal líquido através do sistema de alimentação e dentro do molde. Uma importante correlação é o teorema de Bernoulli, que afirma que a soma das energias (altura, pressão, cinética e fricção) em quaisquer dois pontos do fluxo metálico é igual. Ele pode ser escrito da seguinte forma: h 1 + p 1 ρ + V 2 1 2g + f 1 = h 2 + p 2 ρ + V 2 2 2g + f 2
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Se ignorarmos perdas por ficção e assumimos que o sistema permanece sob pressão atmosférica o tempo todo, então a equação pode ser reduzida a: h 1 + V 1 2 2g = h 2 + V 2 2 2g
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base. Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a altura nesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal é vazado na bacia de vazamento e transborda do canal, sua velocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode ser simplificada: h 1 = V 2 2 2g
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base. Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a altura nesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal é vazado na bacia de vazamento e transborda do canal, sua velocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode ser simplificada: Que pode ser resolvida para determinar a velocidade do fluxo: h 1 = V 2 2 V 2 = 2g 2gh
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Outra correlação importante durante o vazamento é a lei da continuidade: Assumindo que o canal de distribuição que vai da base do canal de alimentação até a cavidade do molde horizontal, a vazão através do canal e dentro da cavidade do molde permanece igual a VA. Consequentemente, podemos estimar o tempo requerido para encher a cavidade de um molde de volume V como: A equação deve fornecer o tempo mínimo. Isto porque a análise feita ignora perdas por ficção e possível restrição do fluxo dentro do sistema de alimentação. Q = V1A1 = V2A2 Tem = V Q
Engenharia dos Sistemas de Vazamento Exemplo 5.1 Um canal de alimentação de um molde tem 20cm de comprimento, e a área da seção transversal na base é igual a 2,5cm². O canal alimenta um canal de distribuição horizontal até a cavidade do molde cujo volume é 1560cm³. Determine: (a) Velocidade do metal fundido na base do canal, (b) vazão do líquido, e (c) tempo para encher o molde.
Solidificação dos Metais A solidificação envolve a transformação do metal novamente para o estado sólido. O processo de solidificação difere se o metal for um elemento puro ou uma liga.
Solidificação dos Metais Puros Um metal puro solidifica a uma temperatura constante, temperatura de solidificação, que é igual à temperatura de fusão. O ponto de fusão de metais puros é bem conhecido e documentado. O processo ocorre ao longo do tempo como mostrado na figura, denominada curva de resfriamento.
Solidificação dos Metais Puros A solidificação propriamente dita leva um tempo, chamado tempo de solidificação local do fundido, durante o qual o calor latente de fusão é liberado para o molde. O tempo de solidificação total é o tempo entre o vazamento e o fim da solidificação. Após o fundido estar totalmente solidificado, o resfriamento continua a uma taxa indicada pela inclinação da curva de resfriamento.
Solidificação dos Metais Puros O metal que forma a camada inicial foi de modo rápido resfriado pela extração de calor por meio das paredes do molde. Esse resfriamento causa a formação de grãos finos e aleatoriamente orientados na camada solidificada. Com a continuação do resfriamento, grãos adicionais são formados e crescem na direção contrária da transferência de calor. Uma vez que a transferência de calor ocorre por meio da camada e da parede do molde, os grãos crescem para o interior como agulhas ou protuberâncias de metal sólido. Esse tipo de crescimento é referido como crescimento dendrítico.
Solidificação dos Ligas Metálicas A maioria das ligas solidifica numa faixa de temperatura ao invés de numa única temperatura. Solidificação de uma liga pode ser explicada com a ajuda do diagrama de fases de uma liga particular e a curva de resfriamento para uma determinada composição.
Solidificação dos Ligas Metálicas O inicio da solidificação é similar ao que ocorre com o metal puro. Uma fina camada sólida é formada na parede do molde devido ao grande gradiente de temperatura nessa superfície. Devido diferença entre as temperaturas e liquidus e solidus, a natureza do crescimento dendrítico é tal que uma frente de solidificação é formada, na qual metal solido e metal liquido coexistem, denominada de zona pastosa. Outro aspecto que complica a solidificação de ligas é que a composição das dentistas em seu início de formação é mais rica nos elementos de mais alta temperatura de fusão.
Solidificação dos Ligas Metálicas No nível macroscópico, a composição química varia ao longo da peça fundida. Uma vez que regiões do fundido que solidificam primeiro são mais ricas num dado componente, no momento que a solidificação ocorre na parte central, o metal liquido remanescente estará empobrecido naquele elemento de liga. Assim, há uma segregação geral ao longo da seção transversal da peça, algumas vezes denominada segregação de lingote.
Solidificação dos Ligas Metálicas Ligas eutéticas constituem uma exceção ao processo geral pelo qual as ligas solidificam. A liga eutética é uma composição particular de um sistema de ligas no qual temperatura sólidos é igual temperatura líquidos. Assim, a solidificação ocorre a temperatura constante (denominada temperatura eutética) em vez de se dar num intervalo de temperatura.
Tempo de Solidificação O tempo total de solidificação é o tempo requerido para, após o vazamento, o fundido solidificar. Esse tempo é dependente do tamanho e forma do fundido por uma equação empírica conhecida como Regra de Chvorinov: Onde Tts=tempo total de solidificação, min; V=volume do fundido, cm³; A=área superficial do fundido, cm²; n=exponencial, sendo usualmente utilizado o valor 2; e Cm é a constante do molde. T Ts = C m V A n
Tempo de Solidificação A Regra de Chvorinov indica que uma peça fundida com maior razão volume/área resfriará e solidificará de forma mais lenta que uma peça com menor razão. Esse principio é bastante utilizado no projeto de massalotes de um molde. Para atender função de alimentar com metal fundido a cavidade principal do molde, o metal no massalote precisa permanecer no estado liquido mais tempo que a peça. T Ts = C m V A n
Contração de Solidificação A contração ocorre em três estapas: Contração do líquido durante o resfriamento antes da solidificação; Contração durante a transformação de fase do líquido para o sólido, denominada contração de solidificção; Contração térmica do fundido solidificado durante seu resfriamento até a temperatura ambiente.
Contração de Solidificação Na tabela estão apresentados valores de concentração linear típicos de diferentes matérias. Fabricantes de modelos levam em cona a contração térmica ao produzir cavidades de moldes superdimensionadas. O quanto maior deve ser o molde relativo ao tamanho final do fundido é chamado compensação do modelo para contração.
Contração Direcional De modo a minimizar os efeitos nocivos da contração, é desejável que as regiões da peça mais distantes do ponto de suprimento do metal liquido solidifiquem primeiro e a solidificação progrida dessas regiões remotas até o(s) massalote(s). O termo solidificação direcional é utilizado para descrever esse aspecto do processo de solidificação e os métodos pelos quais pode ser controlado. A desejada solidificação direcional é obtida seguindo a Regra de Chvorinov no projeto do fundido propriamente dito, na sua posição no molde e no projeto do sistema de massalotes que alimentarão a peça.
Projetos de Massalotes Como descrito anteriormente, um massalote, é usado em moldes de fundição em areia para alimentar a peça com metal liquido durante a solidificação, de forma a compensar a contração de solidificação. A Regra de Chvorinov pode ser empregada para calcular o tamanho do massalote que satisfaça esse requisito. O massalote representa desperdício de metal, pois será separado da peça fundida e refundido para fabricar outras peças. É desejável que o volume de metal no massalote seja o mínimo.
Projetos de Massalotes Exemplo 5.2 Um massalote cilíndrico para um molde de fundição em areia deve ser projetado. A peça fundida é uma placa retangular em aço com dimensões 7,5cm X 12,5cm X 2,0cm. Observações prévias indicaram que o tempo total de solidificação para essa peça é de 1,6min. O cilindro do massalote deverá ter uma razão diâmetro/altura=1. Determine as dimensões do massalote para que Tts deste seja de 2min.
Processos de Fundição Fundição em Areia Quase todas as ligas podem ser fundidas em moldes de areia; de fato, é um dos poucos processos que podem ser usados com metais de alto ponto de fusão, como aços, níquel, e titânio. Sua versatilidade permite fundir peças variando em tamanho de pequenas a muito grandes e em quantidade produzida, de uma até milhões.
Processos de Fundição Fundição em Areia Fundição em areia, também chamada fundição em molde de areia, consiste em vazar o metal fundido num molde em areia, deixando o metal solidificar, e, depois, quebrar o molde para remover a peça. A partir dessa breve descrição, observa-se que a fundição em areia inclui não somente as operações de fundição propriamente ditas, mas também a confecção do modelo e do molde.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos A fundição em areia requer um modelo, uma reprodução em tamanho real da peça, com dimensões maiores para considerar a contração de solidificação e as tolerâncias para usinagem da peça fundida acabada. Materiais empregados na confecção de modelos incluem madeira, plásticos e metais. A seleção de um material apropriado para um modelo depende, em grande parte, da quantidade total de fundidos a serem produzidos.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos Existem vários tipos de modelos: Modelo sólido (individual): com mesma geometria da peça, ajustada no tamanho para a contração de solidificação e a usinagem. Embora, seja o modelo de mais fácil fabricação, ele não é o de mais fácil emprego na confecção do molde em areia. Com um modelo individual, a determinação da localização da linha de partição entre as duas metades do molde pode ser um problema.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos Existem vários tipos de modelos: Modelos bipartidos: consistem em duas peças, cujo plano de separação coincide com a linha de partição do molde. Modelos bipartidos são apropriados para peças com geometrias complexas e quantidades moderadas de produção. A linha de partição do molde é predeterminada pelas duas metades do modelo.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos Existem vários tipos de modelos: Placa-modelo: para a produção de grandes quantidades, placas-modelo são usadas. Numa primeira opção, cada metade do modelo é fixada num lado de uma placa de madeira ou metal, e o conjunto pode ser chamado placa reversível.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos Os modelos definem a forma externa do componente fundido. Se o fundido tiver superfícies internas, um macho será necessário. Um macho é um modelo em tamanho natural do interior das superfícies do componente. Ele é inserido na cavidade do molde antes do vaza- mento, de tal forma que o metal fundido flui e solidifica no espaço entre a cavidade do molde e o macho, formando ao mesmo tempo as superfícies externa e interna.
Processos de Fundição Fundição em Areia Modelos e Machos Dependendo da geometria do componente, o macho pode necessitar de suportes para mantê-lo, durante o vazamento, em posição dentro do molde. Esses suportes, denominados chapelins, são fabricados em metal com temperatura de fusão maior que a do metal fundido. Por exemplo, chapelins em aço poderiam ser usados na moldagem de peças de ferro fundido. Com o vazamento e a solidificação, os chapelins ficam unidos ao fundido.
Processos de Fundição Fundição em Areia Moldes As areias de fundição são constituídas de sílica (SiO2) ou sílica misturada com outros minerais. A areia deve possuir boas propriedades refratárias, capacidade para suportar altas temperaturas sem fusão ou outro tipo de degradação. Outras importantes características da areia incluem tamanho de grão, distribuição granulométrica e a forma dos grãos individuais. Grãos finos resultam no melhor acabamento superficial da peça fundida, mas grãos grosseiros são mais permeáveis (para permitir o escape dos gases durante o vazamento).
Processos de Fundição Fundição em Areia Moldes Na confecção do molde, os grãos de areia são mantidos unidos por uma mistura de água e argila como aglomerante. Uma típica mistura (em volume) é 90% areia, 3% água e 7% argila. Outros agentes aglomerantes podem ser usados em substituição à argila, incluindo resinas orgânicas e aglomerantes inorgânicos. Além da areia e do aglomerante, aditivos são algumas vezes adicionados à mistura para melhorar propriedades como resistência mecânica e/ou permeabilidade do molde. Para formar a cavidade do molde, o método tradicional é compactar a areia de moldagem ao redor do modelo para formar ambas as partes (superior e inferior) do molde num contêiner chamado caixa de moldagem.
Processos de Fundição Fundição em Areia Moldes Diversos indicadores são usados para determinar a qualidade do molde em areia: Resistência mecânica: habilidade do molde para manter sua forma e resistir à erosão causada pelo fluxo de metal líquido; depende do formato dos grãos e das qualidades adesivas do aglomerante; Permeabilidade: capacidade do molde de permitir que o ar quente e os gases oriundos das operações fundição passem através dos vazios da areia; Estabilidade térmica: habilidade da camada de areia da superfície do molde de resistir ao trincamento e empenamento após o contato com o metal fundido; Colapsibilidade: habilidade do molde de desmoronar, permitindo que o fundido se contraia sem a formação de trincas na peça fundida, também se refere à habilidade de remover a areia do fundido durante as operações de limpeza; Reutilização: capacidade de reutilizar a areia oriunda do molde destruído.
Processos de Fundição Fundição em Areia Moldes Moldes em areia são geralmente classificados como: Moldes em areia-verde: são confeccionados com uma mistura de areia, argila e água, e a palavra verde se refere ao fato de que o molde contém umidade no momento do vazamento. Os moldes em areia-verde possuem resistência mecânica suficiente para a maioria das aplicações, boa colapsibilidade, boa permeabilidade, boa reutilização, e são os moldes menos caros. Moldes em areia-seca: são confeccionados usando aglomerantes orgânicos de preferência à argila, e o molde é estufado num fomo de grande porte a temperaturas variando de 200 C a 320 C (400 F a 600 F). A secagem em estufa aumenta a resistência do molde e endurece superficialmente a cavidade. Um molde em areia-seca garante melhor controle dimensional do produto fundido, comparado com a moldagem em areia-verde. Entretanto, moldagem em areia-seca é mais cara, e a produtividade é reduzida por causa do tempo gasto na secagem. Molde-seco na superfície: neste caso as vantagens do molde em areia-seca são parcialmente atingidas pela secagem da superfície de um molde em areia-verde até profundidades de 10 a 25 mm da cavidade do molde, usando maçaricos, lâmpadas aquecedoras ou outros meios.
Processos de Fundição Moldagem em Casca Shell-Molding Trata-se de um processo de fundição no qual o molde é uma casca fina confeccionado em areia, cujos grãos são úmidos com uma resina aglomerante termofixa.
Processos de Fundição Moldagem em Casca Shell-Molding O processo shell-molding apresenta várias vantagens. A superfície da cavidade do molde é menos rugosa que a do molde em areia-verde convencional, e essa baixa rugosidade facilita o fluxo de metal líquido durante o vazamento e o melhor acabamento superficial da peça fundida. Boa acurácia dimensional é também alcançada.
Processos de Fundição Poliestireno Expandido O processo de fundição com poliestireno expandido usa um molde com areia compactada ao redor de um molde em espuma de poliestireno que é vaporizada quando o metal fundido é vazado no molde. O modelo em espuma inclui o canal de descida, massalotes e o sistema de canais, e pode também conter machos internos. Como o modelo em espuma se torna a cavidade do molde, considerações sobre o ângulo de saída e linha de partição também podem ser ignoradas. O molde não precisa ser aberto em seções.
Processos de Fundição Poliestireno Expandido O molde é em geral recoberto com um composto refratário para garantir uma superfície lisa a fim de melhorar sua resistência a altas temperaturas. Uma vantagem significativa desse processo é que o modelo não precisa ser removido do molde. Isto simplifica e torna mais rápida a confecção do molde. O processo tem sido aplicado à produção em massa de fundidos para motores de automóveis, nos quais se emprega um sistema automatizado para a confecção de modelos de espuma de poliestireno.
Processos de Fundição Fundição de Precisão Na fundição de precisão, um modelo feito em cera é recoberto com um material refratário para fabricar o molde, após a cera ser derretida antes do vazamento do metal fundido. O termo investment vem de uma das menos conhecidas definições para a palavra invest, que significa recobrir totalmente. É um processo de precisão, pois é capaz de produzir fundidos com elevada acurácia e detalhes intrincados.
Processos de Fundição Fundição de Precisão A produção de modelos é usualmente realizada por uma operação de moldagem, vazamento ou injeção da cera quente numa matriz padrão projetada com as tolerâncias adequadas à contração de ambos: cera e, em seguida, o metal fundido. Em operações de elevada produção, vários modelos são fixados num canal, também feito em cera, para formar uma árvoremodelo, esse conjunto é que será fundido no metal.
Processos de Fundição Fundição de Precisão As vantagens da fundição de precisão incluem: Peças de grande complexidade e com ramificações podem ser fundidas; Controle dimensional estreito tolerâncias; Bom acabamento superficial; Com frequência, a cera pode ser recuperada e reutilizada; Usinagem adicional não é usualmente necessária. Todos os tipos de metais, incluindo aços, aços inoxidáveis e outras ligas resistentes a altas temperaturas, podem ser fundidos por esse processo.
Processos de Fundição Fundição por Molde de Gesso e Cerâmico Fundição em molde de gesso é similar à fundição em areia, exceto que o molde é confeccionado em gesso em vez de areia. Para confeccionar o molde, a mistura de gesso com água é vertida sobre um modelo plástico ou metálico que está dentro da caixa e deixada curar. A consistência fluida permite que a mistura de gesso flua de imediato no entorno do modelo, capturando seus detalhes e acabamento superficial. O molde precisa esperar cerca de 20 minutos antes de o modelo ser extraído. O molde é então estufado por várias horas para remover a umidade. Mesmo com a estufagem, nem toda a umidade do gesso é removida.
Processos de Fundição Fundição por Molde de Gesso e Cerâmico Uma das desvantagem do molde em gesso é que ele não é permeável limitando assim a saída dos gases da cavidade do molde. Esse problema pode ser resolvido de vários modos: Evacuando o ar da cavidade do molde antes do vazamento; Aerando a lama de gesso antes da confecção do molde, de forma que o gesso resultante, quando endurecido, contenha vazios finamente dispersos; Usando composição e tratamento especiais do molde, conhecido como processo Antioch. Esse processo envolve o uso de cerca de 50% de areia misturada com o gesso, aquecimento do molde numa autoclave e, então, secagem.
Processos de Fundição Fundição por Molde de Gesso e Cerâmico Moldes em gesso não podem ser expostos às mesmas altas temperaturas que os moldes em areia. Eles são, portanto, limitados à fundição de ligas com baixo de como ponto fusão, alumínio, magnésio e algumas ligas à base de cobre. As vantagens da fundição com molde em gesso para essas aplicações são bons acabamento superficial, acurácia dimensional e a capacidade de obter fundidos com seções transversais finas.
Processos de Fundição Fundição por Molde de Gesso e Cerâmico Fundição em molde cerâmico é similar à fundição em gesso, exceto que o molde é fabricado em materiais cerâmicos refratários que podem ser expostos a temperaturas mais elevadas gesso. Dessa forma, moldagem em cerâmica pode ser usada para fundir aços, ferros fundidos e outras ligas resistentes a altas temperaturas.
Fundição em Molde Permanente A fundição em molde permanente emprega um molde metálico que é construído em duas seções, que são projetadas para abertura e fechamento simples e preciso. Esses moldes são comumente confeccionados em aço ou ferro fundido. Os metais comumente fundidos em molde permanente incluem alumínio, magnésio, ligas à base de cobre e ferro fundido. Entretanto, ferro fundido requer elevada temperatura de vazamento o que impacta na vida do molde.
Fundição em Molde Permanente Machos podem ser usados em moldes permanentes para formar as superfícies internas do produto fundido. Os machos podem ser confeccionados em metal, mas sua forma deve permitir sua remoção do fundido ou eles devem ser mecanicamente colapsáveis para permitir sua retirada.
Fundição em Molde Permanente Na preparação para a fundição, o molde é primeiro aquecido, e uma ou mais camadas de recobrimento são aspergidas na cavidade. O preaquecimento facilita o fluxo de metal por meio do sistema de canais e na cavidade. O recobrimento ajuda a dissipação de calor e lubrifica a superfície do molde para facilitar a remoção da peça fundida.
Fundição em Molde Permanente Vantagens da fundição em molde permanente incluem bom acabamento superficial e controle dimensional estreito. Adicionalmente, a solidificação mais rápida, em consequência do contato do metal com o molde metálico, resulta numa estrutura mais refinada assim são produzidos fundidos com maior resistência mecânica. O processo é em geral limitado a metais de baixo ponto de fusão. Outras limitações incluem peças com geometrias mais simples comparadas com a fundição em areia e o custo do molde. O processo é mais adequado a altos volumes de produção e, portanto, pode ser automatizado. Peças típicas incluem pistões automotivos, carcaças de bombas e certos fundidos para aeronaves e misseis.
Fundição em Molde Permanente Fundição Sob Pressão A fundição sob pressão é um processo de fundição em molde permanente no qual o metal fundido é injetado na cavidade do molde sob alta pressão. A pressão é mantida durante a solidificação, após o molde ser aberto e a peça removida. Existem dois tipos principais de máquinas de fundição sob pressão: Câmara quente; Câmara- fria.
Fundição em Molde Permanente Fundição Sob Pressão Em máquinas com câmara quente, o metal é fundido num contêiner anexo à máquina, e um êmbolo é usado para injetar o metal liquido sob alta pressão na matriz. Pressões típicas de injeção vão de 7 a 35 MPa. É comum encontrar taxas de produção de até 500 peças por hora. Esse processo é limitado em suas aplicações a metais de baixo ponto de fusão que não ataquem quimicamente o embolo e outros componentes mecânicos. Os metais incluem zinco, estanho, chumbo e, às vezes, magnésio.
Fundição em Molde Permanente Fundição Sob Pressão Em máquinas de fundição sob pressão com câmara fria, metal fundido é vazado numa câmara não aquecida a partir de um contêiner externo contendo o metal, e um êmbolo é usado para injetar o metal sob alta pressão na cavidade da matriz. Pressões de injeção usadas nessas maquinas vão, tipicamente, de 14 a 140 MPa. Comparado às máquinas com câmara quente, os ciclos são em geral mais longos devido à necessidade de transferir o metal liquido de uma fonte externa até a câmara. As máquinas com câmara fria são tipicamente usadas para fundição de alumínio, latão e ligas de magnésio.
Fundição em Molde Permanente Fundição Sob Pressão Moldes empregados nas operações de fundição sob pressão são usualmente confeccionados em aços ferramenta, aço médio-carbono, ou aço maraging. Os materiais da matriz não têm naturalmente porosidade, desta forma, o metal fundido flui rápido para dentro da matriz durante a injeção, furos e canais de ventilação devem ser construídos na linha de partição das matrizes para evacuar o ar e gases da cavidade.
Fundição em Molde Permanente Fundição Sob Pressão As vantagens da fundição sob pressão incluem: Possibilidade de elevada taxa de produção; Economicamente viável para a produção de grandes lotes; Possibilidade de tolerâncias estreitas; Bom acabamento superficial; Seções finas são possíveis até cerca de 0,5 mm; Resfriamento rápido gera tamanho de grão pequeno e fundido com boa resistência mecânica.
Fundição em Molde Permanente Fundição Centrífuga A centrifugação se refere a diversos métodos de fundição nos quais o molde é girado a elevadas velocidades, de modo que a força centrifuga distribui o metal fundido às regiões periféricas da cavidade da matriz. Aqui, descreveremos o processo usado para peças fundidas tubulares, denominado fundição centrifuga verdadeira.
Fundição em Molde Permanente Fundição Centrífuga Na fundição centrifuga verdadeira, o metal fundido é vazado num molde giratório para produzir uma peça tubular. O metal fundido é vazado numa das extremidades de um molde horizontal giratório. A alta velocidade de rotação resulta em forças centrifugas que fazem com que o metal tome a forma da cavidade do molde. Assim, a forma externa do fundido pode ser esférica, octogonal, hexagonal etc. Entretanto, a forma interna do fundido é (em termos teóricos) perfeitamente esférica devido às forças radiais simétricas.
Fundição em Molde Permanente Fundição Centrífuga A força centrífuga é definida pela equação física: O Fator-G (FG) é a razão entre a força centrífuga dividida pelo peso: Transformando a velocidade linear em rotação, temos:
Fundição em Molde Permanente Fundição Centrífuga Se, na fundição centrifuga verdadeira, o fator- G for muito baixo, o metal líquido não permanecerá forçado contra o molde durante a metade superior do caminho circular e cairá como "chuva" no interior da cavidade. Numa base empírica, valores de FG 60 a 80 são considerados apropriados para a fundição centrifuga horizontal, embora isto dependa de alguma forma do metal que está sendo fundido.
Fundição em Molde Permanente Exemplo 6.1 Uma operação de fundição centrifuga verdadeira será realizada horizontalmente para produzir seções de tubos em cobre com De=25 cm e D=22,5 cm. Que velocidade de rotação é requerida se um Fator-G de 65 é usado para fundir o tubo?
Fornos de Fundição Os tipos de fornos mais comumente utilizados em fundições são: Cubilôs; Fornos diretos a combustível; Fomos a cadinho; Fornos elétricos a arco; Fornos de indução. A seleção do tipo de fomo mais apropriado depende de fatores como a liga fundida; suas temperaturas de fusão e vazamento; capacidade do forno; custos de investimento, operação e manutenção, e considerações sobre poluição ambiental.
Fornos de Fundição Cubilôs O cubilô é um forno cilíndrico vertical equipado com uma bica de vazamento próxima à sua base. Cubilôs são empregados apenas para a fusão de ferros fundidos, e, embora outros fornos também possam ser usados, a maior tonelagem de ferro fundido é produzida em cubilôs. A carga consistindo em ferro, coque, fundente e possíveis elementos de liga, é introduzida pela porta de carregamento localizada abaixo da metade da altura do cubilô. O ferro é normalmente uma mistura de ferrogusa e sucata (incluindo massalotes, canais de descida e demais canais que são removidos de fundidos anteriores). O coque é o combustível usado para aquecer o forno. Para a combustão do coque, ar forçado é introduzido pelas aberturas próximas ao fundo da carcaça.
Fornos de Fundição Fornos Diretos a Combustível O forno direto a combustível contém uma pequena soleira aberta, na qual a carga metálica é aquecida por queimadores a combustível localizados lateralmente no forno. O combustível típico é o gás natural, e os produtos de combustão saem do forno por uma chaminé. Fornos diretos a combustível são em geral usados na fusão de metais não ferrosos como ligas à base de cobre e alumínio.
Fornos de Fundição Fornos a Cadinho Esses fornos fundem o metal sem contato direto com a mistura combustivel. Por essa razão, eles são algumas vezes chamados fornos indiretos. Três tipos de fornos a cadinho são empregados em fundição: Cadinho-removível; Cadinho fixo; Cadinho-basculante.
Fornos de Fundição Fornos a Cadinho No forno cadinho removível, o cadinho é colocado num forno e aquecido o suficiente para fundir a carga metálica. Óleo e gás, ou carvão pulverizado são combustíveis típicos desses fornos. Quando o metal é fundido, o cadinho é removido do forno e usado como uma panela de vazamento. No caso do cadinho-fixo, o forno é fixo, e o metal liquido é removido do contêiner. No cadinho-basculante, o conjunto é basculado para o vazamento. Fomos a cadinho (dos três tipos) são usados para fundir metais não ferrosos como bronze latão e ligas de zinco e de alumínio.
Fornos de Fundição Fornos a Arco Elétrico Nesse tipo de forno a carga é fundida pelo calor gerado a partir de um arco elétrico, que flui entre dois ou três eletrodos e a carga metálica. O consumo de energia é elevado, mas fornos a arco elétrico podem ser projetados com elevadas capacidades de fusão, e são usados principalmente para fundir aço.
Fornos de Fundição Fornos de Indução O forno de indução utiliza corrente alternada passando por uma bobina para criar um campo magnético no metal, e a corrente induzida resultante causa rápido aquecimento e fusão do metal. O campo de força eletromagnética tem sobre o metal liquido uma ação misturadora, que leva à homogeneização do banho. Fusão de aço, ferro fundido e ligas de alumínio são aplicações comuns na fundição.
Vazamento, Limpeza e Tratamento Térmico A movimentaçãoo do metal fundido do forno de fusão até o molde é, algumas vezes, feita usando cadinhos. Mais frequentemente, a transferência é realizada em panelas de diversos tipos.
Vazamento, Limpeza e Tratamento Térmico Após a solidificação e remoção do fundido do molde, uma série de etapas adicionais são em geral necessárias. Essas operações incluem: Rebarbação; Remoção do macho; Limpeza da superfície; Inspeção; Reparo; Tratamento.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Falha de preenchimento: aparece em fundidos que solidificam ante que de a cavidade do molde estar totalmente preenchida. As causas típicas incluiem: Fluidez do metal do insuficiente; Temperatura de vazamento muito baixa; Vazamento feito de forma muito lenta; Seção transversal do fundido muito fina
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Delaminação: ocorre quando duas porções do metal fluem juntas, mas falta fusão das duas frentes devido à solidificação prematura. As causas são similares às da preenchimento;
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Gotas frias: resultam do respingo durante o vazamento, causando a formação de grânulos sólidos de metal que ficam aprisionados no fundido. Procedimentos de vazamento e projeto de sistema de canais que evite os respingos podem evitar esse defeito.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Cavidade de contração: é a depressão na superfície ou um vazio interno no fundido, causado pela contração de solidificação que restringe a quantidade de metal fundido disponível na última região a se solidificar. Este problema é muitas vezes resolvido pelo projeto de um massalote adequado.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Microporosidade: consiste numa rede de pequenos vazios distribuídos por todo o fundido, causada pela contração que ocorre no fim da solidificação do metal noas espaços entre a estrutura dendríticas.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Durante a operação de fundição, há numerosas oportunidades para algo dar errado resultando num produto fundido com defeitos. Segue alguns destes possíveis defeitos: Ruptura a quente: também chamada trinca a quente, ocorre quando, nos estágios finais da solidificação ou nos primeiros estágios do resfriamento, a contração do fundido é restringida devido ao molde ser pouco deformável.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Os defeitos presentes prioritariamente em fundição em areia são descritos a seguir: Bolha: é um defeito que consiste numa cavidade de gás com a forma de um balão, causada pela liberação de gases do molde durante o vazamento. Microporosidade: também causada pela liberação de gases durante o vazamento, consiste em diversas e pequenas cavidades formadas na superfície da peça, ou logo abaixo dela. Erosão por lavagem: é uma irregularidade na superfície do fundido que resulta da erosão da areia do molde durante o vazamento, e o contorno da erosão será reproduzido na superfície da peça.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Os defeitos presentes prioritariamente em fundição em areia são descritos a seguir: Crosta de erosão: são áreas rugosas na superfície do fundido devido a incrustações de areia e metal. Elas são causadas por pequenas porções da superfície do molde que se descamam durante a solidificação ficam entranhadas na superfície da peça. Penetração: é um defeito superficial que ocorre quando a fluidez do metal liquido é alta, penetrando no molde ou no macho em areia. Durante a solidificação, a superfície do fundido consiste numa mistura de grãos de areia e metal. Maior compactação do molde de areia ajuda a reduzir esse defeito. Deslocamento do molde: se refere ao defeito causado pela movimentação da parte superior do molde em relação à parte inferior; o resultado é um degrau no fundido na altura da linha de partição.
Qualidade do Fundido Defeitos de Fundição Os defeitos presentes prioritariamente em fundição em areia são descritos a seguir: Deslocamento do macho: é similar ao deslocamento do molde, mas é o macho que se movimenta, e o deslocamento é geralmente vertical. O deslocamento é causado pela tendência do metal de movimentar o macho, dada a sua massa especifica ser menor que a do metal. Trinca no molde: ocorre quando a resistência mecânica do molde é insuficiente e uma trinca se desenvolve.
Qualidade do Fundido Métodos de Inspeção Os procedimentos de inspeção na fundição incluem: Inspeção visual para detectar defeitos óbvios como falha de preenchimento, delaminação e trincas superficiais de tamanho razoável; Verificação dimensional para garantir que as tolerâncias foram atingidas; Testes metalúrgicos, químicos, físicos e outros testes relacionados à qualidade do metal fundido. Testes na categoria incluem: testes hidrostáticos para localizar vazamentos no fundido; métodos radiográficos; testes com partículas magnéticas; uso de líquidos fluorescentes penetrantes e testes supersônicos para detectar os defeitos superficiais ou internos no fundido; testes mecânicos para determinar propriedades como resistência à tração e dureza.
Materiais Para Fundição A maioria das peças fundidas comerciais é fabricada em ligas em vez de metais puros. Ligas são geralmente mais fáceis de fundir, e as propriedades do produto resultante são melhores. Ligas fundidas podem ser classificadas em ferrosas e não ferrosas. A categoria de ferrosas é subdividida em ferro fundido e aço fundido.
Materiais Para Fundição Ferros Fundidos O ferro fundido é a mais importante de todas as ligas fundidas. A tonelagem de peças em ferro fundido é muitas vezes maior que a de todos os outros metais juntos. Existem diversos tipos de ferro fundido: Ferro fundido cinzento; Ferro nodular; Ferro fundido branco; Ferro maleável Ferro fundido ligado. A temperatura típica de vazamento para ferro fundido é em torno de 1400 C, dependendo da composição.
Materiais Para Fundição Aços As propriedades mecânicas do aço o tornam um material de engenharia interessante, e a capacidade de criar geometrias complexas torna a um processo atraente. Entretanto, grandes dificuldades estão presentes na fundição especializada em aço. Primeiro, o ponto de fusão do aço é de considerável maior que o da maioria dos outros metais usados comumente em fundição. Nessas temperaturas elevadas, o aço é muito reativo quimicamente. Ele se oxida rápido, então procedimentos especiais devem ser usados durante a fusão e o vazamento para isolar o metal fundido do ar. Também, o aço tem relativamente baixa fluidez, e isso limita o projeto de seções finas de componentes fundidos em aço.
Materiais Para Fundição Ligas Não Ferrosas Metais fundidos não ferrosos incluem ligas de alumínio, magnésio, cobre, estanho, zinco, níquel e titânio. As ligas de alumínio são geralmente consideradas de fácil fundição. O ponto de fusão do alumínio puro é 660 C, assim as temperaturas de vazamento para ligas fundidas de alumínio são baixas, comparadas com o ferro fundido. Suas propriedades as tornam atrativas para fundidos: baixa massa especifica, vasta gama de propriedades alcançadas por meio de tratamentos térmicos e fácil usinagem. As ligas de magnésio são as mais leves de todas as ligas fundidas. Outras propriedades incluem resistência à corrosão, assim como elevadas razões resistência-massa especifica e rigidez massa-específica.
Materiais Para Fundição Ligas Não Ferrosas As ligas de cobre incluem bronze, latão e bronze-alumínio. As propriedades que as tornam relevantes são a resistência à corrosão, boa aparência e boas propriedades como mancais. O alto custo do cobre é uma limitação ao uso de suas ligas. Aplicações incluem conexões para tubos, pás de hélices marinhas, componentes de bombas e joalheria ornamental.
Materiais Para Fundição Ligas Não Ferrosas O estanho tem o menor ponto de fusão dos metais fundidos. As ligas à base de estanho são geralmente fáceis de fundir. Elas têm boa resistência à corrosão, mas baixa resistência mecânica, o que limita suas aplicações a vasilhames e produtos similares que não necessitem de elevada resistência. As ligas de zinco são comumente usadas na fundição sob pressão. O zinco tem baixo ponto de fusão e boa fluidez, tornando-o de fácil uso na fundição. Sua principal desvantagem é a baixa resistência à fluência, de modo que o fundido não pode ser submetido a tensões elevadas por longo tempo.
Materiais Para Fundição Ligas Não Ferrosas As ligas de níquel têm boas resistência a quente e resistência à corrosão, o que as torna adequadas a aplicações em temperaturas elevadas como em motores a jato e componentes de foguete, proteção térmica e componentes similares. Essas ligas também possuem elevada temperatura de fusão e não são fáceis de fundir. As ligas de titânio fundidas são resistentes à corrosão e possuem elevada razão resistênciamassa específica. Entretanto, titânio tem alto ponto de fusão, baixa fluidez e propensão a oxidar em temperaturas elevadas. Essas propriedades tornam difícil sua fundição e a de suas ligas.
Considerações sobre o Projeto do Produto Se a fundição for escolhida pelo projetista de produto como o processo de fabricação principal de um determinado componente, então certas diretrizes deverão ser seguidas para facilitar a produção da peça e evitar os vários defeitos. Algumas diretrizes e são apresenta: Simplicidade geométrica Cantos. A espessura das seções. Ângulo de saída. Uso de machos; Tolerâncias dimensionais; Acabamento superficial; Tolerâncias para Usinagem.