FUNDIÇÃO 3/23/2014 BIBLIOGRAFIA VANTAGENS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO

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1 BIBLIOGRAFIA FUNDIÇÃO Livro Texto: Tecnologia Metalúrgica Prof. José Luís L. Silveira Curso de graduação em Engenharia Mecânica UFRJ Centro de Tecnologia sala I-241 Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos (capítulo 2) autores: Claudio Shyinti Kiminami, Walman Benício de Castro e Marcelo Falcão de Oliveira; Editora Edgard Blücher, 1ª edição, FUNDIÇÃO Fundição é um processo de fabricação onde o metal fundido flui por gravidade, ou é forçado, para dentro de um molde, onde se solidifica na forma da cavidade desse molde. A parte solidificada é denominada fundido e é retirada do molde por meio de sua abertura, no caso de moldes metálicos, ou através da destruição do molde, no caso dos moldes de areia. VANTAGENS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO Pode ser usado para fabricar peças com geometria complexa. Alguns processos são capazes de produzir peças com a forma final (net shape). Pode ser usado para peças de grande dimensão ou para peças pequenas. Pode ser usado para um grande número de ligas metálicas. Pode ser automatizado. Permite a reciclagem de sucata metálica o que reduz o consumo de recursos naturais. 1

2 DESVANTAGENS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO Alguns processos tem precisão dimensional e acabamento superficial limitados. O trabalho é perigoso, devido ao metal fundido. As propriedades mecânicas podem ser afetadas pela ocorrência de porosidade, inclusão de escória e microestrutura grosseira. ETAPAS DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR FUNDIÇÃO MOINHO PARA AREIA DE FUNDIÇÃO MOLDE DE AREIA COM REPRESENTAÇÃO DA PEÇA E DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 2

3 GASES DISSOLVIDOS NO METAL LÍQUIDO A solubilidade dos gases dissolvidos no metal líquido decresce drasticamente com a mudança do estado líquido para o sólido. O excesso de gases dissolvidos pode, durante a solidificação, gerar bolhas ou porosidades dentro da peça fundida. GASES DISSOLVIDOS NO METAL LÍQUIDO Para prevenir a formação de porosidade pode-se: remover os gases dissolvidos antes do vazamento do metal líquido por meio da desgaseificação a vácuo; usar um fluxo protetor sobre o metal fundido para reduzir o contato com o ar; manter a temperatura de superaquecimento baixa para reduzir a solubilidade de gases no metal líquido; projetar a geometria dos canais de vazamento de modo a produzir um fluxo não turbulento, para evitar o contato do metal líquido com o ar. GASES DISSOLVIDOS NO METAL LÍQUIDO (cont.) Para prevenir a formação de porosidade pode-se: passar um gás inerte ou reativo através do metal líquido. Por exemplo: bolhas de nitrogênio ou de cloro para remover hidrogênio do alumínio. fazer os gases reagirem para formar um composto de baixa densidade, que seja removido com a escória. Por exemplo, remoção de oxigênio do cobre pela adição de fósforo e do aço pela adição de alumínio ou silício. Na fundição em areia: A compactação correta da areia permite uma permeabilidade adequada dos gases; Um fluxo não turbulento do metal líquido também previne a erosão do molde e a inclusão de escória. TEMPERATURA DE VAZAMENTO Para garantir que o metal preencha toda a cavidade do molde, a temperaruta de vazamento deve ser superior a temperatura de fusão do metal, isto é, deve haver um superaquecimento do metal. Um superaquecimento elevado aumenta: o consumo de energia, a oxidação do metal, a solubilidade de gases (que podem gerar porosidades e bolhas), o risco de fluxo turbulento (que pode causar a erosão do molde e o aprisionamento de gases) e o desgaste do molde (no caso de moldes permanentes). Um superaquecimento inferior ao necessário pode resultar na solidificação do metal antes do preenchimento completo do molde. 3

4 FLUIDEZ MODELO PARA ENSAIO DE FLUIDEZ A fluidez determina a capacidade de um metal líquido fluir e preencher um molde. Depende da composição química da liga, da temperatura de fusão, do intervalo de solidificação e do superaquecimento. O ensaio de fluidez consiste em vazar o metal líquido em um molde padronizado. O tipo mais utilizado possui a forma de uma espiral. Após a solidificação o comprimento preenchido da espiral é medido. Quanto maior o comprimento, maior é a capacidade do metal em preencher as seções finas do molde. MOLDE PARA ENSAIO DE FLUIDEZ ESCÓRIA É um resíduo que se origina na fusão do metal e é menos denso que o metal líquido. Deve se evitar que a escória seja carregada pelo metal fundido para dentro da cavidade do molde para evitar defeitos no fundido. Pode se usar filtros nos canais de vasamento para a retenção da escória (figura a seguir). A reação do metal líquido com o oxigênio do ar produz óxidos que são, em geral, menos densos que o próprio metal líquido e que se somam à escória. Para proteger o metal líquido do contato com o ar do ambiente é utilizado o fluxo, que além de proteger o metal líquido pode escorificar elementos indesejáveis. 4

5 FILTROS PARA ESCÓRIA FORNOS Os fornos utilizados para a fusão da liga no processo de fundição podem ser divididos em: Fornos elétricos Fornos a arco elétrico (arco direto e indireto) Fornos de indução Fornos a resistência elétrica Fornos a combustível Fornos a óleo Fornos a gás Fornos a carvão FORNOS ELÉTRICOS FORNO A ARCO ELÉTRICO Fornos a arco elétrico utilizam o calor gerado pela abertura de um arco elétrico. Permitem utilizar sucata como carga pois facilitam o controle e correção da composição das ligas (figura a seguir). O arco pode ser direto, quando formado entre o eletrodo e a carga, ou indireto, quando formado entre os eletrodos. Fornos elétricos por indução utilizam o calor gerado no próprio metal pela corrente elétrica que é induzida por um campo eletromagnético de alta frequência. Produzem um intenso agitamento no metal, o que favorece a homogeneização da liga (figura a seguir). 5

6 FORNOS A ÓLEO E A GÁS FORNO DE INDUÇÃO São usados principalmente para a fusão de não-ferrosos e utilizam o calor gerado pela combustão de óleo diesel, gás liquefeito de petróleo (GLP) ou gás natural. A combustão pode ocorrer diretamente sobre o metal ou aquecer um cadinho onde o metal está depositado. Os fornos de cadinho podem ser classificados em 3 tipos: Tipo estacionário onde o forno é fixo e o metal fundido é retirado com uma concha. Tipo basculante onde o forno pode bascular para vazar o metal líquido, em uma panela de transporte, ou em uma calha que conduzirá o metal líquido Tipo cadinho removível onde o cadinho é removido do forno para ser usado como panela de vazamento. FORNO A ÓLEO (ESTACIONÁRIO) FORNO A GÁS (BASCULANTE) 6

7 CADINHOS Cadinhos de Grafite Cadinhos de Carboneto (Carbeto) de Silício FORNOS A CARVÃO Os Fornos Cubilô são usados para produzir ferro fundido cinzento. Seu interior é revestido com tijolos refratários e no topo do forno, há uma abertura por onde o carvão (coque), calcáreo e a carga metática são depositados. O ar necessário para a combustão é soprado por ventaneiras. Próximo à base há uma abertura (que é vedada) e permite que o ferro fundido seja vazado. Há uma outra abertura para colher a escória localizada na parte de trás e acima do nível da abertura vedada. Em geral a carga é composta de ferro gusa, sucata de ferro fundido cinzento e de aço, coque e calcário. Estes componentes formam camadas alternadas de coque, calcário e metal. FORNO CUBILOT (CARVÃO) INTERVALO DE SOLIDIFICAÇÃO O intervalo de solidificação de uma liga é a faixa de temperatura entre o início e o término da solidificação (fusão) da liga (figura a seguir). Para uma liga eutética o intervalo de solidificação é nulo. Dentro do intervalo de solidificação a liga é composta por uma parte sólida, constituída por cristais na forma de dendritas, e uma parte líquida. 7

8 INFLUÊNCIA DO INTERVALO DE SOLIDIFICAÇÃO Ligas com um grande intervalo de solidificação não apresentam solidificação direcional, mas uma solidificação simultânea em diversos pontos da peça. Pode ocorrer uma restrição no fluxo do metal e a formação de vazios e porosidades. Ligas com intervalo de solidificação pequeno mantém um canal que permite o fluxo de metal até que as estruturas dendríticas se encontem. A solidificação ideal ocorre na liga de composição eutética. Ligas com intervalo de solidificação intermediário podem formar uma restrição ao fluxo do metal e a formação de vazios e porosidades, como no caso de um grande intervalo de solidificação. INFLUÊNCIA DO INTERVALO DE SOLIDIFICAÇÃO MASSALOTES O uso de massalotes evita que partes volumosas da peça apresentem vazios denominados rechupes 8

9 FUNDIÇÃO EM AREIA CORTE DE UM MOLDE DE AREIA É o processo de fundição mais utilizado. O metal fundido flui por gravidade para dentro de um molde de areia, onde se solidifica na forma da cavidade desse molde. Para a retirada da peça, o molde de areia é destruído e areia reaproveitada. A peça obtida deve ser submetida a um processo para a remoção do sistema de alimentação e eventualmente de massalotes. ETAPAS PARA A PREPARAÇÃO DE UM MOLDE DE AREIA A partir do desenho da peça é confeccionado o modelo, em geral, bipartido. ETAPAS PARA A PREPARAÇÃO DE UM MOLDE DE AREIA É colocada a segunda parte do modelo, bem como os canais de alimentação e massalotes, caso necessário. Uma parte do modelo é colocada no fundo da caixa de moldagem inferior. A areia é compactada sobre o modelo na caixa de moldagem inferior. A areia é compactada sobre o modelo (a primeira areia pode ser peneirada). O molde é aberto para a retirada do modelo e o colocação dos machos, caso necessário. A caixa de moldagem inferior é virada para a montagem da caixa superior. O molde é montado novamente para o vazamento do metal fundido. 9

10 SEQUENCIA DE OPERAÇÕES PARA A PREPARAÇÃO DE UM MOLDE DE AREIA CARACTERÍSTICAS DO MOLDE DE AREIA Os moldes de areia devem: Apresentar resistência mecânica suficiente para o processo. Suportar a ação erosiva do metal líquido. Possuir boa permeabilidade para a saída dos gases. Gerar poucos gases quando em contato com o metal líquido. Ser refratários (não fundir em contato com o metal líquido). Possuir estabilidade térmica (dimensional e química). MOLDAGEM AUTOMATIZADA PROJETO DO MODELO Na fundição em areia, em geral, o modelo deve ser bipartido para permitir a retirada do modelo do molde. O modelo deve prever sobre-espessura para usinagem, quando necessário. A contração do metal também deve ser considerada na confecção do modelo. As paredes do modelo devem ser inclinadas para facilitar a retirada do modelo do molde. Deve-se evitar cantos vivos e variações bruscas nas seções. Quando se utilizar macho, o modelo deve prever marcações de macho. 10

11 PROJETO DO MODELO (FUNDIÇÃO: MERCADO, PROCESSOS E METALURGIA; GLORIA DE ALMEIDA SOARES; 2000) Substituição de paredes grossas por paredes finas e nervuradas, essa modificação pode significar economia de metal, maior leveza da peça e redução de pontos quentes. PROJETO DO MODELO Equalização das espessuras da peça: reduz a ocorrência de porosidade e a tendência ao trincamento na contração. PROJETO DO MODELO Redução de pontos quentes por meio da modificação do projeto e da utilização de resfriadores. PROJETO DO MODELO Redução das tensões internas: peças com elevada simetria tendem a concentrar mais as tensões durante o resfriamento, o que pode levar a peça a trincar. (a) espessura uniforme em (iii) (b) número ímpar de aros em (i); raios curvos em (ii) e desalinhamento axial em (iii). 11

12 PROJETO DO MODELO FUNDIÇÃO EM CASCA OU SHELL MOLDING O molde é confeccionado a partir de uma mistura de areia e resina (2,5 a 4%), que atua como aglomerante e endurece com o aquecimento. Uma resina frequentemente utilizada é a termoplástica fenólica onde se adiciona um agente (hexametileno tetra-amida), para produzir ligações cruzadas entre as cadeias de polímeros. São utilizados aditivos, como o estearato de cálcio, para melhorar a fluidez, e o óxido de ferro, para prevenir trincas térmicas. VANTAGENS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM CASCA LIMITAÇÕES DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM CASCA O processo pode ser usado para produção de peças com geometrias simples ou complexas. A taxa de produção é superior à fundição em molde de areia, entre 5 e 200 peças por hora. Atinge boa precisão dimensional (±0,25 mm) e bom acabamento superficial (rugosidade de até 2,5 µm). Possibilidade de automação do processo e de estocagem dos moldes. Alto custo do molde metálico, o que dificulta o uso para pequenos lotes. Custo maior do processo, devido ao uso de resina e do processo de cura a quente, que exige o uso de fornos para o aquecimento. Dificuldade em manusear cascas de grande dimensão devido a resistência mecânica, o que limita o tamanho das peças, em geral menos de 20 kg). 12

13 FUNDIÇÃO EM CASCA OU SHELL MOLDING ETAPAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM CASCA A placa com o modelo metálico aquecido (200 C) é colocada sobre uma caixa basculante contendo areiaresina-aditivos. A caixa é basculada em 180 e a mistura, em contato com a superfície do modelo aquecido, começa a endurecer. Após tempo suficiente para que se forme uma casca (aprox. 5 mm) aderida ao modelo, a caixa é novamente basculada. ETAPAS DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM CASCA O modelo e a casca semicurada são aquecidos (350 a 400 C) por tempo suficiente para que a cura da resina se complete. FUNDIÇÃO EM CASCA OU SHELL MOLDING A casca é retirada da placa com o modelo. O molde é obtido pela junção de duas partes (cascas), que são unidas por meio de cola, ou grampos. O metal fundido é vazado no molde, que após a solidificação é destruído para a retirada da peça. 13

14 FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE EM MOLDE PERMANENTE FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE EM MOLDE PERMANENTE O molde é permanente e, em geral, consiste em uma matriz metálica. O metal fundido é vazado por gravidade no molde pré-aquecido. Após a solidificação, o molde é aberto para a retirada da peça fundida. A cavidade do molde é limpa com um jato de ar comprimido com aditivos. Após a retirada da peça, o molde pode ser fechado e utilizado para produzir uma nova peça. FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE EM MOLDE PERMANENTE Para evitar vazios e porosidade na peça, o molde deve prever canais para a saída dos gases (respiradouros) devido a ausência de permeabilidade do molde. A temperatura do molde deve ser mantida elevada para: reduzir a amplitude do ciclo de temperatura e prevenir a fadiga térmica; facilitar o fluxo do metal líquido; controlar a taxa de resfriamento do metal. FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE EM MOLDE PERMANENTE Vantagens do processo: Boa precisão dimensional. Bom acabamento superficial. Microestrutura refinada devido ao resfriamento mais rápido do metal. Pode ser utilizado muitas vezes ( vezes). Taxa de produção de 5 a 100 ciclos por hora. Custo do ferramental, equipamento e mão de obra moderados. 14

15 FUNDIÇÃO POR GRAVIDADE EM MOLDE PERMANENTE Desvantagens do processo: FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Nesse processo o metal líquido é vazado sob pressão, o que garante o preenchimento da matriz. Alto custo do molde. Limitação da vida útil do molde para fundição de metais com alta temperatura de fusão. Limitação na forma, do tamanho e da complexidade da peça. O molde é metálico, em geral de aço-ferramenta, e refrigerado a água. Podem ser usados machos de areia ou de metal para as partes ocas. A pressão é mantida durante a solidificação. FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Existem dois tipos de fundição sob pressão: de câmara fria, onde o metal é fundido em um forno separado e transportado para a injeção no molde. de câmara quente, onde não há necessidade de transportar o metal líquido, pois este é fundido junto a câmara de injeção, que é preenchida automaticamente. Esse tipo é limitado a ligas com baixa temperatura de fusão (zinco, chumbo, estanho) devido ao molde metálico. 15

16 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Vantagens do processo: Bom acabamento superficial. Boa precisão dimensional. Alta produtividade. Pode processar peças com seções finas (0,5 mm) e geometrias complexas devido à pressão que garante o preenchimento da cavidade. Microestrutura refinada devido a alta taxa de resfriamento. É economicamente vantajoso para a produção de grandes lotes. Desvantagens do processo: Alto custo do equipamento e do molde. Limitação a ligas não ferrosas de alta fluidez, devido ao molde metálico. Limitação no tamanho da peça devido ao tamanho do equipamento. Pode haver dificuldade para a saída dos gases, o que pode gerar porosidades. Limitação na forma da peça para permitir a retirada do molde. FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO O metal líquido é vazado enquanto o molde possui um movimento de rotação. A força centrífuga lança o metal líquido em direção às paredes do molde. O processo apresenta uma microestrutura heterogênea ao longo da espessura da parede da peça, devido a centrifugação das primeiras fases solidificadas. FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO Vantagens: o O processo pode produzir peças de grandes dimensões e com várias formas cilíndricas. o Apresenta boa produtividade, com até 50 peças por hora. o Rendimento entre 90 e 100% do metal líquido, devido a ausência de canais e massalotes. o Permite a produção de tubos bimetálicos. Limitações: o O alto custo do equipamento. o A restrição na geometria da peça. 16

17 FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO FUNDIÇÃO DE PRECISÃO Também denominado fundição por cera perdida ou microfusão. O molde é obtido pelo revestimento de um modelo de cera com uma argamassa cerâmica refratária. O modelo de cera é fundido e escorre deixando uma cavidade no molde cerâmico. FUNDIÇÃO DE PRECISÃO ETAPAS DA FUNDIÇÃO DE PRECISÃO Os modelos de cera são obtidos pelo vazamento, ou injeção de cera fundida em um molde permanente. Os modelos são montados no canal de vazamento, também feito de cera (árvore). A árvore é mergulhada em uma suspensão cerâmica e em seguida é coberta com partículas finas de material cerâmico (zircônia, alumina), que aderem a superfície da árvore. 17

18 ETAPAS DA FUNDIÇÃO DE PRECISÃO VANTAGENS DA FUNDIÇÃO DE PRECISÃO A árvore de cera é derretida e deixa uma cavidade no molde. O molde é sinterizado a uma temperatura de até 1100 C para adquirir resistência mecânica e estabilidade térmica. O metal fundido é vazado no molde. Após a solidificação, o molde é destruído para a retirada das peças fundidas. Pode-se produzir peças com formas complexas e em grande quantidade. Reprodução de detalhes e paredes finas com boa precisão dimensional e bom acabamento superficial. Pode ser usado para metais com alto ponto de fusão devido ao molde cerâmico. As peças precisam de pouca usinagem posterior. Permite o controle do tamanho de grão e solidificação dimensional. Pode ser realizado sob atmosfera protetora, ou em vácuo, se necessário. LIMITAÇÕES DA FUNDIÇÃO DE PRECISÃO Crescimento de grão em peças com grandes dimensões devido a baixa taxa solidificação. Dimensões e peso limitados devido a baixa resistência mecânica do modelo de cera. CONFORMAÇÃO POR SPRAY Também denominado fundição por spray ou deposição por spray. É realizado pela atomização do metal líquido, por meio de um gás inerte a alta pressão, e a sua deposição em um substrato. As gotas de metal líquido sofrem uma alta taxa de resfriamento, o que pode levar a solidificação total, ou parcial, de algumas gotas. As ligas apresentam: uma microestrutura refinada devido a alta taxa de resfriamento, presença de fase amorfa e um mínimo de segregações. 18

19 CONFORMAÇÃO POR SPRAY TIXOFUNDIÇÃO Uma liga de composição hipoeutética é aquecida até a temperatura de fusão e em seguida resfriada até a zona que contem as fases líquida e sólida (pastoso). O metal pastoso é agitado para quebrar a estrutura dendrítica e torná-la globular. Após a solidificação, se obtém uma liga em que a fase primária se apresenta em forma equiaxial e distribuída homogeneamente em uma estrutura eutética. A liga é reaquecida até a sua fusão parcial e injetada em uma matriz em um processo de fundição sob pressão. TIXOFUNDIÇÃO VANTAGENS TIXOFUNDIÇÃO Em um fluido tixotrópico a viscosidade decresce com a ação de uma tensão cisalhante, o que facilita o preenchimento da matriz. A peça apresenta maior homogeneidade devido a inexistência de macrosegregação. Menor contração do metal, por partir do estado semissólido. Propriedades mecânicas superiores a dos materiais fundidos convencionalmente. 19

20 FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO Também denominado processo de espuma perdida (lost foam). O molde é confeccionado de areia não aglomerada (sem ligante). O modelo é produzido de um material evaporável, como o poliestireno expandido (isopor). O modelo recebe um banho de suspensão aquosa, para produzir uma camada que evitará o contato do metal líquido com a areia durante o vazamento. O molde é preenchido com areia seca em torno do modelo e colocado para vibrar para permitir a compactação da areia. Após a solidificação o molde é virado e a areia é separada do modelo. FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS APRESENTAÇÃO ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS APRESENTAÇÃO 20

21 ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS APRESENTAÇÃO ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS MATERIAL ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS MATERIAL ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS PROCESSO DE FABRICAÇÃO 21

22 ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS PROCESSO DE FABRICAÇÃO ESTUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS PROCESSO DE FABRICAÇÃO MICROESTRUTURA DO FERRO FUNDIDO DE ACORDO COM A TAXA DE RESFRIAMENTO 22