Fundição-Processos-e-Propriedades-do-Metal-Liquido

1 Fundição 3 FUNDIÇÃO Introdução Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica no estado líquido é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida Tópicos a serem discutidos introdução A velocidade de resfriamento do produto interfere no tamanho do rechupe A quantidade de vezes que alteramos as propriedades cristalinas interfere na qualidade do material E o reaproveitamento de material dos canais de alimentação A qualidade ou tamanho do grão de areia interfere em processos seguintes por exemplo a usinagem 4 5 Vantagens das peças fundidas 1 podem apresentar formas externas e internas desde a mais simples até a mais complexa 2 Podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde serão produzidas 3 Podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamentomais liso ou mais áspero e tolerância dimensionalentre 02 mm e 06 mm 4 Possibilita grande economia de peso porque permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas FUNDIÇÃO 6 Principais propriedades do processo de fundição 1 Temperatura de fusão 2 Fluidez FUNDIÇÃO 7 1 Temperatura de fusão Em outras palavras o processo de fusão é a transformação dos principais insumos em ligas de ferro fundido em composições químicas adequadas a cada tipo de aplicação A matériaprima é inserida nos fornos de indução onde é transformada em metal líquido FUNDIÇÃO 8 1 Fluidez A água tem mais fluidez que o óleo porque escorre com mais facilidade A fluidez é importante porque consiste em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada FUNDIÇÃO 9 Peças produzidas por fundição FUNDIÇÃO 10 FUNDIÇÃO Processos Fundição por gravidade Fundição sob pressão Fundição por centrifugação Fundição de precisão Fundição por outros métodos 11 A matériaprima metálica para a produção de peças fundidas é constituída pelas ligas metálicas ferrosas ligas de ferro e carbono e nãoferrosas ligas de cobre alumínio zinco e magnésio O processo de fabricação dessas peças por meio de fundição pode ser resumido nas seguintes operações 1 Confecção do modelo Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça Ele é feito de madeira alumínio aço resina plástica e até isopor FUNDIÇÃO passo a passo FUNDIÇÃO passo a passo confecção de modelo 13 2 Confecção do molde O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada Ele é feito de material refratário composto de areia e aglomerante Esse material é moldado sobre o modelo que após retirado deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida FUNDIÇÃO passo a passo 14 3 Confecção dos machos Macho é um dispositivo feito também de areia que tem a finalidade de formar os vazios furos e reentrâncias da peça Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido FUNDIÇÃO passo a passo 15 4 Fusão Etapa em que acontece a fusão do metal 5 Vazamento O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido FUNDIÇÃO passo a passo 16 6 Desmoldagem Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde e que depende do tipo de peça do tipo de molde e do metal ou liga metálica ela é retirada do molde desmoldagem manualmente ou por processos mecânicos 7 Rebarbação A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação massalote e rebarbas que se formam durante a fundição Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente FUNDIÇÃO passo a passo 17 8Limpeza A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos FUNDIÇÃO passo a passo 18 Características que estão estreitamente ligadas ao processo de fundição A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas ou não Furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça embora apareçam no desenho Arredondamento de cantos e engrossamento das paredes As propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente FUNDIÇÃO 19 Defeitos que ocorrem durante o processo de fundição Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material Rechupe Porosidade ou seja existência de buraquinhos dentro da peça FUNDIÇÃO 20 Cristalização Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias que servem como núcleos para o posterior desenvolvimento ou crescimento dos cristais dando finalmente origem aos grãos definitivos e à estrutura granular típica dos metais Esse crescimento dos cristais não se dá na realidade de maneira uniforme ou seja a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos no interior de um molde o crescimento é limitado pelas paredes deste FUNDIÇÃO 21 Como resultado os núcleos metálicos e os grãos cristalinos resultantes adquirem os aspectos representados na figura a seguir a b c Dentrita originada na solidificação a aspecto típico da seção de um lingote b efeito dos cantos na cristalização c FUNDIÇÃO 22 As dentritas formamse em quantidades cada vez maiores até se encontrarem o seu crescimento é então impedido pelo encontro das dentritas vizinhas originandose os grãos e os contornos de grãos que delimitam cada grão cristalino formando a massa sólida Os efeitos indesejáveis resultam do fato dessas diagonais constituírem planos de maior fragilidade de modo que durante a operação de conformação mecânica a que essas peças são submetidas posteriormente como laminação podem surgir fissuras que inutilizam o material Esse inconveniente é evitado arredondandose os cantos FUNDIÇÃO 23 Contração de volume Rechupe contração líquida contração de solidificação contração sólida FUNDIÇÃO Ilustração esquemática do fenômeno de contração durante a solidificação com o vazio ou chupagem resultante 24 FUNDIÇÃO Contração de volume aparecimento de trincas a quente e a maneira de corrigilas 25 A contração é expressa em porcentagem de volume No caso dos aços fundidos por exemplo a contração linear devida à variação de volume no estado sólido varia de 218 a 247 o valor menor correspondendo ao aço de mais alto carbono 090 No caso dos ferros fundidos uma das mais importantes ligas para fundição de peças a contração sólida linear varia de 1 a 15 o valor de 1 correspondendo a ferro fundido cinzento comum e o valor 15 mais precisamente de 13 a 15 ao ferro nodular Para os outros metais e ligas a contração linear é muito variada podendo atingir valores de 8 a 9 para níquel e ligas cobreníquel FUNDIÇÃO 26 Metal Variação de volume Alumínio 60 Zinco 51 Ouro 42 Cobre 415 Magnésio 41 Cádmio 40 Ferro 30 Estanho 23 Antimônio 095 Gálio 32 Bismuto 335 Germânio 50 Tabela 1 Variação de volume durante a solidificação A maioria dos materiais metálicos apresenta redução de volume mas alguns apresentam expansão FUNDIÇÃO 27 Contração de volume como resolver esse problema FUNDIÇÃO 28 Contração de volume como resolver esse problema FUNDIÇÃO 29 Concentração de impurezas segregação Isto pode ocorrer devido à 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 mais rica nesses elementos O caso mais geral é o das ligas ferrocarbono que contêm como impurezas normais o fósforo o enxofre o manganês o silício e o próprio carbono Ao solidificar entretanto algumas das impurezas são menos solúveis no estado sólido P e S por exemplo nas ligas mencionadas Assim sendo à medida que a liga solidifica esses elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente indo acumularse pois na última parte sólida formada FUNDIÇÃO 30 Segregação em peças laminadas e forjadas O inconveniente dessa segregação é que o material acaba apresentando composição química não uniforme conforme a secção considerada e conseqüentes propriedades mecânicas diferentes Como as zonas segregadas se localizam no interior das peças onde as tensões são mais baixas as suas conseqüências não são muito perniciosas devendose de qualquer modo evitar uma grande concentração de impurezas quer pelo controle mais rigoroso da composição química das ligas quer pelo controle da própria velocidade de resfriamento FUNDIÇÃO 31 Desprendimento de gases Esse fenômeno ocorre principalmente nas ligas ferrocarbono O oxigênio dissolvido no ferro por exemplo tende a combinarse com o carbono dessas ligas formando os gases CO e CO2 que escapam facilmente à atmosfera enquanto a liga estiver no estado líquido A medida entretanto que a viscosidade da massa liquida diminui devido à queda de temperatura fica mais difícil à fuga desses gases os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças ou lingotes na forma de bolhas Em aços de baixo carbono na forma de lingotes a serem forjadas ou laminadas as bolhas não são prejudiciais pois elas às temperaturas de conformação mecânica principalmente para a fabricação de chapas têm suas paredes soldadas A rigor essas bolhas podem ser até mesmo desejáveis FUNDIÇÃO 32 O molde uma peça fundamental A fase moldagem permite distinguir os vários processos de fundição os quais são classificados da seguinte maneira moldagem em molde de areia ou temporário por gravidade areia verde areia seca areiacimento moldagem em molde metálico ou permanente por gravidade sob pressão FUNDIÇÃO 33 moldagem pelo processo CO2 fundição por centrifugação fundição de precisão em casca ou shell molding de cera perdida de investimento FUNDIÇÃO Outros processos 34 Moldagem em areia Inicialmente o molde deve preencher uma série de requisitos sem os quais a fundição não se realiza nas melhores condições a resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido b resistência à ação erosiva do metal que escoa rapidamente durante o vazamento c mínima geração de gás durante o processo de vazamento e solidificação a fim de impedir a contaminação do metal e o rompimento do molde d permeabilidade suficiente para que os gases gerados possam sair durante o vazamento do metal e refratariedade que permita suportar as altas temperaturas de fusão dos metais e que facilite a desmoldagem da peça f possibilidade de contração da peça que acontece durante a solidificação FUNDIÇÃO 35 Geralmente a caixa de moldagem é construída em duas partes caixa superior e caixa inferior e os modelos são montados em placa Modelo em placa montada numa caixa de moldar FUNDIÇÃO 36 Moldagem em areia verde É o processo mais simples e mais generalizado em fundições Consiste em compactar manualmente ou empregando máquinas de moldar uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição composta essencialmente de areia silicosa argila e água sobre o modelo colocado ou montado na caixa de moldar Confeccionada a cavidade do molde o metal é imediatamente vazado no seu interior FUNDIÇÃO 37 Seqüência de operações na fundição em areia verde FUNDIÇÃO 38 Características da areia de fundição Plasticidade e consistência moldabilidade dureza resistência refratariedade etc Para determinação dessas características procedese a ensaios de laboratório FUNDIÇÃO 39 Os componentes de uma areia de fundição areia que é o constituinte básico no qual devem ser considerados os característicos de pureza granulometria tamanho de grãos distribuição granulométrica dureza forma dos grãos integridade dos grãos refratariedade permeabilidade e expansibilidade argila que constitui o aglomerante usual nas areias de fundição sintéticas especialmente preparadas carvão moído eventualmente para melhorar o acabamento das peças fundidas FUNDIÇÃO 40 dextrina aglomerante orgânico para conferir maior resistência mecânica à areia quando secada estufada farinha de milho gelatinizada Mogul que melhora a qualidade de trabalhabilidade da areia breu em pó também como aglomerante que confere principalmente em areia seca grande resistência mecânica serragem eventualmente para atenuar os efeitos da expansão FUNDIÇÃO Os componentes de uma areia de fundição 41 Para a confecção dos machos as areias devem apresentar alta resistência depois de estufadas secas alta dureza alta permeabilidade e inalterabilidade Os seus componentes além da areia natural e água incluem vários tipos de aglomerantes entre os quais podem ser citados o silicato de sódio cimento portland resinas piche melaços farinha Mogul óleos etc Os machos são normalmente secados em estufa estufados entre 150º e 250º C FUNDIÇÃO Confecção dos machos 42 Exemplo de machos simples localizados na caixa de moldar FUNDIÇÃO 43 Exemplo de fundição de placa com macho FUNDIÇÃO 44 A moldagem mecânica é empregada nas fundições modernas para produção seriada e produção de moldes e conseqüentemente de peças fundidas de qualidade superior Três métodos de compactação da areia numa caixa de modelar a Utilização de um dispositivo vibrador b Encher em excesso e nivelar c Comprimir e deixar com menos areia FUNDIÇÃO 45 Vantagens e desvantagens da fundição utilizando areia verde FUNDIÇÃO FUNDIÇÃO Fundição contínua Fundição Contínua Vantagens Maior Produtividade Uniformidade do produto Menor consumo energético Redução de mãodeobra Melhor qualidade do produto Metal líquido Tandish Molde de Fundição Roletes Metal solidificado Molde de bronze refrigerado Sistema de corte FUNDIÇÃO Fundição contínua FUNDIÇÃO Fundição contínua 57 1 Quais as vantagens da moldagem em areia seca sobre a moldagem em areia verde 2 Explicar por que é necessário prever sobre metal nos projetos das peças a serem fundidas 3 Discutir a necessidade de alimentadores nos moldes de fundição 4 Porque se usam machos na fundição de peças 5 Em que casos a fundição por centrifugação é usada 6 Qual a diferença entre molde de areia e molde permanente 7 Quais são os efeitos que o fenômeno da contração durante a solidificação pode causar em peças fundidas FUNDIÇÃO Exercícios 58 Processo CO2 É de aplicação relativamente recente Utilizase para moldes e machos relativos a peças de quaisquer dimensões No processo os moldes são do tipo convencional de areia aglomerada com silicato de sódio 25 a 60 em peso Depois de compactados são eles submetidos a um tratamento com CO2 que consiste na passagem de uma corrente desse gás através de sua secção Ocorre uma reação entre o CO2 e o silicato de sódio formase sílicagel carbonato de sódio e água resultando um endurecimento do molde em tempo relativamente curto Não há necessidade de estufagem alcançandose elevadas propriedades de dureza e resistência FUNDIÇÃO 59 Processo de moldagem plena Nesse processo são utilizados como modelos espuma de poliestireno A espuma de poliestireno pode ser facilmente cortada e podem ser obtidos com facilidade modelos bastante complexos A moldagem é conduzida do mesmo modo que no processo de fundição em areia mas o modelo não é retirado pois durante o vazamento o poliestireno vaporiza sendo substituído pelo metal vantagens ângulos de saída e cantos arredondados não são necessários pouca ou nenhuma quantidade de aglomerante misturada na areia redução drástica da quantidade de machos mão deobra menos qualificada desvantagens geração de gás que pode ocasionar alguns problemas com o acabamento da superfície tornandoa geralmente mais grosseira do que o obtido na moldagem normal FUNDIÇÃO 60 Ilustração esquemática do processo de moldagem plena FUNDIÇÃO 61 Moldagem em molde metálico Fundição em molde permanente Fundição sob pressão FUNDIÇÃO 62 Os moldes nesse caso são chamados lingoteiras Os tipos verticais são empregados geralmente para a fundição de lingotes de aço Os tipos horizontais são mais utilizados para metais e ligas não ferrosos A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixa do que o ferro e o aço Esses metais são representados pelas ligas com chumbo zinco alumínio magnésio certos bronzes e excepcionalmente o ferro fundido Os moldes permanentes são feitos de aço ou ferro fundido ligado resistente ao calor e às repetidas mudanças de temperatura Moldes feitos de bronze podem ser usados para fundir estanho chumbo e zinco Moldes permanentes FUNDIÇÃO 63 Lingoteiras horizontais e verticais FUNDIÇÃO 64 Produtos típicos da fundição em moldes permanentes são bases de máquinas blocos de cilindros de compressores cabeçotes bielas pistões cabeçotes de cilindros de motores de automóveis coletores de admissão FUNDIÇÃO 65 Molde metálico permanente para vazamento de metal líquido FUNDIÇÃO 66 Fundição sob pressão Os moldes metálicos são chamados de matrizes A matriz feita de aço ferramenta tratado termicamente é geralmente construída em duas partes que são fechadas hermeticamente no momento do vazamento do metal líquido Muitas matrizes são refrigeradas a água Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz aumentando sua vida útil e evitando defeitos nas peças É automatizada e realizada em máquina de câmara quente e máquina de câmara fria FUNDIÇÃO 67 Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara quente FUNDIÇÃO 68 Já a máquina de fundição sob pressão de câmara fria é utilizada quando o metal fundido ataca o sistema de bombeamento cilindro e pistão Este processo é empregado principalmente para fundir ligas de alumínio magnésio e ligas de cobre FUNDIÇÃO 69 Vantagens do processo de fundição sob pressão 1 peças de ligas como as de alumínio fundidas sob pressão apresentam maiores resistências do que as fundidas em areia 3 possibilidade de produção de peças com formas mais complexas 4 possibilidade de produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas 5 alta capacidade de produção alta durabilidade das matrizes FUNDIÇÃO 70 Desvantagens do processo de fundição sob pressão 1 limitações no emprego do processo ele é usado para ligas nãoferrosas com poucas exceções 2 limitação no peso das peças raramente superiores a 5 kg 3 retenção de ar no interior das matrizes originando peças incompletas e porosidade na peça fundida 4 alto custo do equipamento e dos acessórios o que limita seu emprego a grandes volumes de produção FUNDIÇÃO 71 Controle de qualidade de peças fundidas A inspeção de peças fundidas como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico tem dois objetivos rejeitar as peças defeituosas preservar a qualidade das matériasprimas utilizadas na fundição e a sua mãodeobra FUNDIÇÃO 72 O controle de qualidade compreende as seguintes etapas 1Inspeção visual para detectar defeitos visíveis resultantes das operações de moldagem confecção e colocação dos machos de vazamento e limpeza 2 Inspeção dimensional a qual é realizada geralmente em pequenos lotes produzidos antes que toda a série de peças seja fundida 3 Inspeção metalúrgica que inclui análise química exame metalográfico para observação da microestrutura do material ensaios mecânicos para determinação de suas propriedades mecânicas ensaios nãodestrutivos para verificar se os fundidos são totalmente sãos FUNDIÇÃO 73 Conclusões O processo de fundição por gravidade em areia é o mais generalizado pois peças de todas as dimensões e formas exceto as mais complexas e praticamente de qualquer metal podem ser fundidas em areia A fundição em moldes metálicos produz uma contração muito rápida que em algumas ligas de menor resistência mecânica pode resultar em fissuras Por outro lado certas ligas apresentam temperaturas de fusão que podem danificar os moldes metálicos Entretanto a fundição em moldes metálicos dá origem a peças com melhor acabamento superficial dentro de tolerâncias dimensionais mais estreitas com secções mais finas e exigem menos usinagem que as fundidas em areia FUNDIÇÃO FUNDIÇÃO COMPARAÇÃO DE ALGUNS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO Fator Fundição em areia Fundição em molde permanente Fundição sob pressão Fundição por centrifugação Metal processado Todos Ferros fundidos e nãoferrosos Nãoferrosos de baixo ponto de fusão Todos Dimensões comerciais mín máx As maiores 05 kg a cerca de 150 kg Diminutas a 35 kg em Al a 150 kg em Zn Acima de 25 t Espessura mín mm 32 47 32 08 16 16 Resist à traçãokgfmm² 13 16 195 175 Ordem de produção Peças por hora 10 15 40 60 120 150 30 50 Custo do molde qu modelo 100 660 1650 500 Para uma liga de alumínio como exemplo Produção estimada para uma peça fundida de alumínio de cerca de 15 kg de peso e moderada complexidade Tomando como base 100 para fundição em areia 74 FUNDIÇÃO FIM 75