Apostila

PerPerííodo: odo: Ago ~ Dez/10 Tema: Tema: Fundição

Professor: Professor: Flávio Lúcio Santos Carvalho

Objetivos: Objetivos: -->Geral:>Geral: Proporcionar aos alunos sobre Fundição (Histórico e Processos).

-->Espec>Especíífico:fico: Identificar os processos de fundição, as ligas fundidas e os principais defeitos.

Desenvolvimento Desenvolvimento -- ConteConteúúdo: do: 1 – Introdução e Histórico

2 – Processos e ligas

3 – Principais defeitos

Recursos instrucionais:Recursos instrucionais: Data Show, Quadro e Pinceis

TTéécnica instrucional:cnica instrucional: Expositiva

AvaliaAvaliaççãoão: Provas e Perguntas durante as aulas

Referências BibliogrReferências Bibliográáficas:ficas:CARVALHO, J. L. R., et al. Dados Termodinâmicos para Metalurgistas, UFMG, Belo Horizonte-MG, 392p., 1977.CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos, Associação Brasileira de metais (ABM), 5a edição, São Paulo, 1982, 518p.

Plano de DisciplinaPlano de Disciplina

INTRODUINTRODUÇÇÃO A FUNDIÃO A FUNDIÇÇÃOÃO

i) Segundo Ferreira (1999), a fundição é o processo que visa obter objetos, vazando metal fundido em um molde preparado com o formato da peça, deixando o material solidificar por resfriamento

DefinDefinççõesões::

ii) É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medias correspondentes aos da peça a ser fabricada.

Importância:Importância:

• Praticamente todo produto metalúrgico passa por processo de fundição em um momento de sua produção• É o caminho mais curto entre a matéria prima metálica e a forma final do produto

• A fundição é uma das indústrias mais antigas no campo de trabalho dos metais e data de aproximadamente 5000 AC, tendo sido empregados desde esta época inúmeros métodos para obtenção da peça fundida.

• 5000aC – facas, pontas de lanças, moedas, artefatos domésticos emcobre e bronze (Cu-Sn)

• 2000aC – adornos em ferro (redução por carvão vegetal)

• 500aC – bronzes, esculturas religiosas (cera perdida)

• 100aC – machados, canalizações, armamentos em ferro

• 1300dC – Fornos de fusão industriais – Cubilô

• 1700dC – Revolução industrial – Inglaterra: produção de gusa

• 1800dC – Processos: Bessemer, Thomas e Siemens-Martin

• 1900dC – Fornos elétricos, microscópios, solidificação


HistHistóórico:rico:






O processo de FundiO processo de Fundiçção hoje:ão hoje:

Princípios básicos: são os mesmos de milhares de anos

Preconceito: produtos fundidos apresentam qualidade metalúrgica inferior aos produtos obtidos por outros processos de conformação

• Infinidade de processos e equipamentos

• Automação de processos

• Estudos sobre os processos de solidificação

• Modelamento matemático e simulação de processos

• Sistemas sofisticados de controle de processos e de qualidade de produtos


O processo de FundiO processo de Fundiçção ão -- Vantagens:Vantagens:

• Operação única

• Número reduzido de operações de acabamento

• Obtenção de peças dos mais variados tamanhos

• Produção em série

• Bom acabamento superficial*

• Boa tolerância dimensional*

• Controle rigoroso da composição química*

*Propriedades físicas e mecânicas


O processo de FundiO processo de Fundiçção ão -- Etapas:Etapas:

•Modelação – confecção dos modelos

•Moldagem e Macharia – confecção de moldes e machos

•Fusão - preparação do metal líquido

•Vazamento – preenchimento do molde com o metal líquido

•Desmoldagem – quebra do molde: liberação do conjunto

fundido

•Corte de canais, Rebarbação e Limpeza

•Inspeção – para detecção de defeitos

•Recuperação – no caso de defeitos não comprometedores

•Tratamento térmico e outros – propriedades finais desejadas


O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Como se classifica:Como se classifica:

Outros processos que se destacam pela sua utilização nos dias de hoje são:

Fundição em casca (Shell Molding)

Fundição em moldes metálicos (por gravidade ou sob pressão)

Fundição centrífuga

Fundição de precisão (cera perdida, moldes cerâmicos)

Demais processos de FundiDemais processos de Fundiçção:ão:


Etapas bEtapas báásicas da obtensicas da obtençção de uma peão de uma peçça fundida.a fundida.

a) Desenho geométrico da peça de fundição

b) Construção de duas caixas de macho

c) Construção do macho

d) Placa de molde superior

e) Placa de molde inferior

f) Caixa superior pronta para calcar areia

g) Caixa superior após a calcação da areia aglomerada


h) Caixa inferior pronta para calcar a areia com aglomerantes

i) Caixa inferior após a calcação e remoção da placa-molde

j) Caixa inferior com o macho posicionado

K) Caixa inferior e superior unidas para o vazamento

l) Peça após a remoção da moldação (ainda com alimentadores)

m) Peças prontas.

Etapas bEtapas báásicas da obtensicas da obtençção de uma peão de uma peçça fundida.a fundida.


Partes essenciais de uma FundiPartes essenciais de uma Fundiççãoão

Projetos de fundiProjetos de fundiççãoãoAs definições de projeto devem considerar os seguintes tópicos:

Processo de moldagem;

Apartação do modelo;

Contração do metal;

Sobremetal para acabamento;

Temperatura de vazamento;

Número de peças encomendadas


Modelagem ou ModelaModelagem ou Modelaççãoão

A modelação é um setor da fundição, uma vez que essa pode contratar serviços de empresa especializada, isto porque o modelador, ao aliar a capacidade de trabalhar a madeira e/ou o metal, com o conhecimento da tecnologia de fundição se torna um dos profissionais mais caros dentro da fundição.

Entretanto, mesmo que a fundição opte por contratar serviços de terceiros para a confecção de modelos e de caixas de macho, énecessário que a mesma disponha de um mínimo de infra-estrutura para a manutenção e reparo desses componentes (ROSSOTTI, 2008).

Etapas do processo de FundiEtapas do processo de Fundiççãoão


Moldagem e MarchariaMoldagem e Marcharia

Além das variáveis comuns à moldagem, na marcharia há uma preocupação a mais: a tiragem dos gases de queima da resina que aglomera o macho, pois durante o vazamento, o macho ficará quase completamente envolto em metal líquido, restando às porções referentes aos apoios (marcações) do macho no molde.

Uma falha nesta “respiração” pode causar evolução explosiva dos gases com conseqüente expulsão do metal líquido dentro do molde. Com menor severidade haverá “sopros”, bolhas, para dentro da peça. (ROSSOTTI, 2008)



Desmoldagem e RecuperaDesmoldagem e Recuperaçção da areiaão da areia

Após a entrada e preenchido o molde com o metal líquido a peça irá solidificar e esfriar dentro da areia.

A operação de desmoldagem é a retirada da peça solidificada de dentro do molde em areia

É importante que isto seja numa temperatura adequada e com manuseio cuidadoso. Por exemplo: se uma peça for desmoldada ainda quente irá trincar pelo choque térmico com o ar ambiente, da mesma forma, irá trincar se sofrer alguma batida durante o manuseio



Acabamento e Corte de canais de Acabamento e Corte de canais de massalotesmassalotes

Segundo Rossotti (2008, p.19) nessa etapa são removidos os canais de vazamento e os massalotes. A remoção pode ser realizada com corte por disco abrasivo quando o material não suportar gradientes térmicos elevados, ou por fusão localizada via arc-air.



São importantes:

Tratamento térmico prévio quando necessário;

Linha de referência para corte;

Cuidados para não danificar as identificações da peça;

Identificação dos canais e massalotes para reaproveitamento deste material

RebarbaRebarbaççãoão

Após o corte dos massalotes e canais de vazamento, estas áreas ficam com acabamento superficial irregular, necessitando uma operação complementar para obtenção das dimensões originais do modelo

Nesse instante também são removidas também as “rebarbas” de metal que não fazem parte da peça final

Estas operações envolvem e dependem da habilidade do operador para garantir as dimensões desejadas na peça acabada.



O processo de FundiO processo de Fundiçção ão -- ResumoResumo

Para estabelecer o processo de fabricação de uma peça fundida parte-se do desenho técnico da peça acabada, em condições de uso.

A partir do desenho a peça usinada realiza-se o projeto que define todo o processo de fabricação na fundição

Concluído o projeto, passe-se a confecção do modelo da peça, da caixa de macho e dos elementos do modelo necessários a preparação do molde em cuja cavidade se vaza o metal líquido de composição química pré-determinada. (FERREIRA, 1999)



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.



O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Resumo Resumo ConfecConfecçção do modelo: ão do modelo:


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.



O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Resumo Resumo ConfecConfecçção do molde: ão do molde:

Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido

Fusão: Etapa que acontece a fusão do metal

Vazamento: É o enchimento do molde com o metal líquido.



O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Resumo Resumo ConfecConfecçção dos machos / ão dos machos / Fusão / Vazamento: Fusão / Vazamento:

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.



O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Resumo Resumo Desmoldagem Desmoldagem

A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas do ambiente.

A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações de areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos (FERREIRA, 1999)

O processo de FundiO processo de Fundiçção ão –– Resumo Resumo RebarbaRebarbaçção e Limpeza ão e Limpeza



Fornos de Fusão:Fornos de Fusão:

Função dos fornos: fornecer o metal fundido com qualidade, nas quantidades necessárias, à temperatura adequada e com o menor custo possível

ElaboraElaboraçção de Ligas:ão de Ligas:

•Direta: é o caso do ferro gusa, de aços ao carbono e de certas ligas de níquel e cobre

•Indireta ou adição, no estado fundido, de elementos de liga: é o caso de aços especiais onde os elementos de liga são adicionados no fim do refino (forno ou panela).

PreparaPreparaçção de metais e ligasão de metais e ligas

PROCESSO DE FUNDIPROCESSO DE FUNDIÇÇÃOÃO

ClassificaClassificaçção dos Fornos de Fusãoão dos Fornos de Fusão


••Quanto ao tipo de material a ser fundidoQuanto ao tipo de material a ser fundidoFornos para aço ; Fornos para ferro fundido; Fornos para não-ferrosos

••Quanto ao tipo de refratQuanto ao tipo de refratááriorioFornos ácido (silicosos e aluminosos) ; Fornos básicos (dolomita ou magnésia) ; Fornos neutros (cromita ou grafite)

••Quanto ao tipo de aquecimentoQuanto ao tipo de aquecimentoFornos com aquecimento por queima de combustível : Sólido – carvão

vegetal ou coque ; Líquido – GLP, diesel; Gasoso – gás naturalFornos com aquecimento por processo elétrico

••Quanto ao tipo de construQuanto ao tipo de construççãoãoCubilô ; Fornos de cadinho Móvel (Fixo, Basculante, Rotativo) ; Fornos de

resistência ; Fornos a arco elétrico ; Fornos de indução

Propriedade dos metais lPropriedade dos metais lííquidosquidos


1. Solubilidade dos gases no metal líquido

2. Geração de gasesno metal e desenvolvimento

de vapores3. e 4. Trocas metal-escória5. Reações metal-recipiente

1 1 –– OxidaOxidaççãoão2 2 –– Tensão de vaporTensão de vapor3 3 -- ViscosidadeViscosidade4 4 -- Tensão superficialTensão superficial5 5 –– FluidezFluidez6 6 –– ReaReaçções entre metal lões entre metal lííquido e substâncias não gasosasquido e substâncias não gasosas7 7 -- Solubilidade dos gases nos metaisSolubilidade dos gases nos metais





1 1 -- OxidaOxidaççãoãoAfinidade do oxigênio com elementos que constituem os metais ou ligasAtmosfera do forno, ar, vapor de água (H2 e N2)Oxidação desejável: eliminar impurezas dissolvidas no metal líquidoOxidação indesejável: pode concorrer para o desequilíbrio ou mesmo modificação da composição química do material fundido, pode causar perdas de material → custo do produtoEx.: Fusão de ligas cobre-zinco (latão)

OxidaçãoM ---- OX ---- MO (óxido desejável) e M’ ---- OX ---- M’O (óxido indesejável)2M’ + O2 ⇒ 2M’Oa) M’ é totalmente solúvel em M aM’ = fração molarb) M’ é parcialmente solúvel em M aM’ = CM/CMS ⇒ M’ + MO M + M’OEste equilíbrio, função da temperatura, é caracterizado por: aaaa

aaKMOMMOM

OMMT .

1..

`



OxidaOxidaçção Desejão DesejáávelvelRefino envolve duas etapas:1) Oxidação do metal base e conseqüente eliminação de elementos indesejáveis2) Desoxidação do metal base para permitir sua posterior utilização

Importância da temperatura ⇒ Velocidade de oxidação e equilíbrio das reaçõesVários elementos ⇒ competição ⇒ afinidade com o oxigênioEx.: Refino do gusa onde o carbono se opõe à eliminação do fósforo

OxidaOxidaçção Desejão DesejáávelvelEliminaEliminaçção dos ão dos óóxidos dos elementos indesejxidos dos elementos indesejááveis (veis (MM’’OO))Óxidos sob a forma: gasosa, sólida e líquida

Gasosa: eliminação fácil, mas pode existir óxidos em saturação no metal (óxido de carbono no caso do refino do gusa)

Sólida: eliminação fácil, principalmente se o metal base for mais denso que o óxido

Líquida: eliminação difícil pois o óxido continua solúvel no metal base. Neste caso será necessária a utilização de escórias



OxidaOxidaçção Desejão Desejáável vel UtilizaUtilizaçção de escão de escóórias:rias:

Escória ácida à base de silício ⇒ fixação dos óxidos básicos, como por exemplo, MnO, FeOEscória básica à base de cal e magnésio ⇒ fixação de óxidos de tendência ácida, como por exemplo, SiO2, P2O5, Al2O3.Observações: (1) As vezes é necessária a renovação da escória para manter a atividade do elemento fixador do óxido; (2) Elementos oxidantes podem introduzir impurezas no metal entre as quais o hidrogênio e nitrogênio ⇒ nocivos às propriedades mecânicas

Finalmente, desoxidação do metal de base através de redutores possantesNo caso dos aços: Mn, Si, Al ; No caso do cobre: ligas Cu-P





OxidaOxidaçção Indesejão IndesejáávelvelOcorre no momento da fusão ou vazamento ⇒ drosses

Perdas por OxidaPerdas por Oxidaçção:ão:Perdas por escumagem (remoção da escória) Penetração e contaminação do cadinhoRespingosVolatilização de um ou mais elementos da liga

Rendimento metRendimento metáálico de fusãolico de fusão paraafusãolcarregadopesodometadoometalvazapesofinald

f

O rendimento metálico de fusão depende de diversas variáveis:Quanto maior a presença de elementos oxidantes na liga ⇒ Menor o ηf ;Quanto menores as dimensões do material carregado ⇒ Menor o ηf

Tipo do forno. Ex.: (1) Reverberatórios a combustível, gás de combustão entrando em contato com o carregamento ⇒ Menor ηf ; (2) Fornos de indução ⇒ perdas mínimas.



AtenuaAtenuaçção da oxidaão da oxidaççãoão:

a) Atmosfera inerte ou protetora (He, Ar), ou redutoras (Hidrocarbonetos gasosos, hidrogênio e CO);b) Emprego de escórias protetoras (Sílica, Bórax, Misturas salinas complexas).

Propriedades afetadas pela presenPropriedades afetadas pela presençça de a de óóxidos:xidos: fluidez e tensão superficial

Meios usuais para inibir a oxidaMeios usuais para inibir a oxidaçção:ão: Adição de elementos (Às vezes em teores mínimos) Exemplos:Ligas Al-Mg: Al-10Mg ⇒ alta oxidação e grande quantidade de escória, Al-10Mg + 0,02% Be ⇒ inibição quase total da oxidação.Latões (Cu+Zn) : Altas perdas de Zn por oxidação e evaporação, que pode ser atenuada pela adição de pequenas quantidades de Al (0,1 a 0,3%)Em geral, (1) Elemento adicionado oxida mais facilmente; (2) Óxido formado apresenta maior estabilidade, protegendo o líquido restante.



2 2 –– Tensão de vaporTensão de vaporA pressão de vapor da maioria dos metais é bastante fraca, às temperaturas de trabalho. Exceções: zinco, magnésio e cádmio ⇒ Fundir com o mínimo de superaquecimento



3 3 –– ViscosidadeViscosidadeResistência que as partículas de um fluído oferecem ao movimento de umas em relação às outrasViscosidade dinâmica: é a força que devemos aplicar a uma camada do fluído de área igual a unidade, para deslocá-la em relação a uma outra camada, que lhe é paralela, a uma velocidade igual a unidade de velocidade, estando as duas camadas a uma distância unitária entre si. Unidade = Poise (CGS) P = 0,1Pa.s = 0,1N.s/m2

.DVF

Obs.: A viscosidade das ligas pode ser afetada pela presença de inclusões em suspensão



Viscosidade cinemática: é obtida dividindo-se a viscosidade dinâmica pela densidade do líquido. Tal grandeza é expressa em STOKES (1St = 1cm2/s)

4 4 -- Tensão SuperficialTensão SuperficialExiste na superfície de todos os líquidos forças intermoleculares que tendem a impedir que o líquido se espalhe, quando colocado sobre uma superfície lisa. Esta propriedade, proveniente de tais forças, denomina-se Tensão Superficial.

Tensão Superficial é função do ponto de fusão do metal, da composição química e da temperatura. Unidade: dines/cmNo processo de fundição ⇒ tensão superficial impede a subida do metal líquido em um canal de dimensões definidas

Exceção: CdTS ↑ Temperatura ↑





5 5 –– FluidezFluidezÉ a propriedade mais importante no processo de fundição e esta relacionada ao preenchimento completo da cavidade do molde com todos os seusdetalhes e dos espaços formados durante a solidificação (influência do material do molde)Preenchimento correto do molde ⇒ a liga tem boa fundibilidadeFundibilidade: depende da composição da liga (intervalo de solidificação) e da temperatura (fluidez). A Determinação da Fluidez : Cálculo envolvendo os princípios de transmissão de calor durante a solidificação.dS = densidade do metala = raio do canalv =- velocidade do fluxo H = calor latente de fusão (solidificação)Cl = calor específico do metalΔT = superaquecimento de vazamentohi = coeficiente de transmissão de calor dainterface metal-moldeTF = temperatura de fusão (solidificação)T0 = temperatura inicial do molde (canal)

0

1

.

....

.2 TT

TCHv

Fi

s

hadL

Obs.: considera que o fluxo cessa totalmente quando o metal solidifica na entrada do canal



Determinação da Fluidez : Ensaio que consiste em medir-se a distância “L” ao longo de um canal em espiral de dimensões padronizadas.

Depende das variáveis que decorrem do metal e do molde.

Variáveis de ensaio:- Forma e dimensões do corpo de prova- Forma e dimensões da bacia de vazamento e dos canais de descida e alimentação- Material do molde (extração de calor)- Velocidade de vazamento- Temperatura do metal- Composição química



Fluidez Influência da composição química e da temperatura para o sistema Pb - Sn

6 6 –– ReaReaçções entre metal lões entre metal lííquido e substâncias não gasosasquido e substâncias não gasosasFusão ⇒ contato com materiais refratários (óxidos) Ex.: Mg + SiO2 → 2 MgO + SiCadinhos de carboneto de silício: atacados por Mg e ligas de Al com MgCadinhos metálicos: Ferro e aço: são atacados por cobre e alumínio ; Ferro e aço: não são atacados por Mg, Sn, Pb e Zn



Reações entre metal líquido e substâncias não gasosasReações com escórias líquidasAção protetora – Ex.: Fusão do magnésio ; Ação escorificante de óxidos e inclusões ; Ação desgaseificante ; Ação afinadora de grão

Outras Variáveis que influenciam nas propriedades: viscosidade, tensão superficial e fluidez Oxidação → tensão superficial e a fluidez ; Inclusões em suspensão →viscosidade ; Natureza do molde → fluidez ; Temperatura e composição química → tensão superficial, fluidez e viscosidade



7 7 -- Solubilidade dos gases nos metaisSolubilidade dos gases nos metaisMetais líquidos → alta atividade químicaInteração com: Gases da atmosfera do forno; Escórias; Revestimentos dos fornos e panelas de vazamento; Sistema de alimentação das peças; Material do molde.

Gases comumente encontrados nos metais:Oxigênio, Hidrogênio e Nitrogênioa) Gases simples bi atômicos: O2, H2, N2;b) Gases oxigenados: SO2, H2O, CO2, CO, NO; ec) Gases complexos: CnHm, (CN)2, NH3, SH2,PH3.Tais gases estão sujeitos a dois processos de interação com os metais: Adsorção e Absorção



Adsorção: os gases se fixam na superfície do metal devido às forças de Van der Waals. Para uma determinada temperatura, Freundlich propôs:

m = massa de gás adsorvidoP = pressão do gásk = constante para a temperatura consideradan – varia de 0,5 a 2,0 segundo Sieverts

Gases mais adsorvíveis: são os que têm baixo ponto de ebulição e grandes moléculas → Temperatura ↑ ⇒ Adsorção ↓

nPkm1

.

Absorção → difusão sob a forma atômicaDepende: Temperatura ; Tempo; Reticulado cristalino do metal ou liga; Raio atômico do elemento que se difunde.Ex.: Hidrogênio: ratômico = 0,46Å

Oxigênio: ratômico = 0,60ÅNitrogênio: ratômico = 0,71Å



Absorção → difusão Pela equação de Arrhenius, tem-se:D = coeficiente de difusãoK = constante para o sistema gás-metal

consideradob = coeficiente que varia com a temperaturaT = temperatura

Tb

eKD .

Quantidade de gás absorvido → lei de SievertsM = quantidade de gás absorvidoK = constante de solubilidade do sistema gás-

metal que depende da temperaturaP = pressão parcial do gás

A menos do oxigênio, que se dissolve no metal sob a forma de compostos químicos, o hidrogênio e o nitrogênio, obedecem a lei de Sieverts.

PKM .



Fenômeno da absorção:Em contato com o metal ou liga, o gás é absorvido sob a forma atômica atravessando o reticulado cristalino, até ser aprisionado por certos defeitos do reticulado, onde pode se recombinar gerando gases simples diatômicos ou gases complexos. Presença de gases absorvidos gera: vazios, fragilização e fissuração nas peças fundidas.

Gases absorvidosOxigênio: sempre presente nos metais ou ligas.Nos aços: introduzido no processo de refino para eliminar elementos indesejáveis.Grande quantidade de oxigênio ⇒ prejuízo às propriedades físicas e mecânicas dos produtos.Para eliminar ou diminuir a concentração de óxidos ⇒ Elementos desoxidantes



Elementos desoxidantes:a) Manganês: desoxidante ativoEm meio ácido: combina com o oxigênio sob a forma de óxido (MnO) e vai para a escória. Em meio básico: a desoxidação é ruim

b) Silício:Em meio ácido: é um desoxidante medíocre. Em meio básico: atua de forma mais competente formando SiO2 que vai para a escória

c) Alumínio: desoxidante enérgico e de fácil emprego. Atua sobre o oxigênio e sobre o nitrogênio.

d) Ligas Si-Ca, Si-Mn, Si-Mn-Al: também utilizadas para desoxidação dos aços, são eficazes quando convenientemente aplicadas.



Hidrogênio: origina-se da dissociação do vapor de água na atmosfera do forno.Água: matérias-primas, elementos de adição, gases do forno.Eliminação do hidrogênio: desgaseificação sob vácuo, borbulhamento de gás ou tratamentos térmicos posteriores.



Nitrogênio:Praticamente só é solúvel em ligas ferrosas e em ligas Fe-Ni-Cr-C. Efeito nas ligas ferrosas: porosidade e formação de nitretos. Dependendo do tipo e do tempo de formação do nitreto, o precipitado pode ajudar no controle do tamanho de grão ou pode levar à fratura chamada “açúcar cristal”, que écaracterizada pela baixa ductilidade e baixa resistência ao impacto.Em ligas de alumínio e de cobre pode ser usado como gás fluxante devido àsua insolubilidade.

Solubilidade do nitrogênio no ferro sob pressão atmosféricaEfeito do nitrogênio no alongamento

de um fio de ferro em tração



Condições necessárias para liberação de gases dos metais líquidos –Mecanismo de formação de bolhas:

S = Tensão superficialp = Pressão no interior da bolhaP = Pressão metalostática

Lei de Sieverts:

K = constante para o sistema gás-metal a uma dada temperaturaPara que a bolha continue a existir (ou se formar):

Com θ = pressão decorrente da tensão superficial

rSPp 2

2

.

KmppKm

Pp



Fundamentos dos processos de eliminação dos gases dissolvidos nos metais

Métodos:

1) Pré-solidificação

2) Fusão a vácuo

3) Borbulhamento de um gás através do metal

4) Processo de oxidação-redução

5) Outros processos



Métodos:1) Pré-solidificaçãoConsiste em fundir e resfriar lentamente o metal ou liga. Os gases são eliminados devido à diminuição apreciável da solubilidade durante a mudança de estado líquido-sólido. Processo especialmente recomendado para alumínio e suas ligas em relação ao hidrogênio.

2) Fusão a vácuoConsiste em fundir o metal sob vácuo ou submeter o metal fundido ao vácuo.Por difusão, o gás dissolvido no metal líquido passa deste para a atmosfera rarefeita, eliminando-se. Processo especialmente indicado para o alumínio e sua ligas. Atualmente tem sido aplicado para aços e outros metais



3) Borbulhamento de gás através do metalÉ um dos processos mais utilizado pela indústria devido a sua eficácia e simplicidade. Dois processos: utilização de gás neutro ou gás ativoa) Gás neutro: Argônio ou HélioAs bolhas do gás dissolvido se incorporam parcialmente às bolhas do gás neutro e são arrastadas por ele escapando do banho, em direção à atmosfera ⇒ arraste físico. No caso dos aços, o borbulhamento provocado pelas reações geradoras de CO e CO2 arrasta o nitrogênio e o hidrogênio.



b) Gás ativo:Neste caso, o mecanismo atuante é o da combinação química. O gás dissolvido no metal forma com o gás borbulhado um outro produto gasoso de menor solubilidade no metal líquido.Exemplo: eliminação do hidrogênio em ligas de alumínio pelo borbulhamento de cloro. Obs.: Acredita-se que, também neste caso, há eliminação do hidrogênio por arrastamento pelo cloro.



4) Processos de Oxidação-ReduçãoVimos que elementos indesejáveis, que têm mais afinidade pelo oxigênio do que o metal de base, podem ser eliminados por oxidação. Este mesmo princípio se aplica aos gases dissolvidos no metal líquido. Processo de oxidação-reduç1ão: É um dos mais importantes processos de eliminação de gases e consiste em duas etapas:(a) Oxidação intensa(b) Desoxidação enérgica

Exemplo: cobre e suas ligas e aços → eliminar o hidrogênio1) Oxidação intensa do banho metálico para eliminação do elemento gerador de gás:Cu2O + 2H → 2Cu + H2OFeO + 2H → Fe + H2O2) Desoxidação enérgica para reduzir o teor de oxigênio ao mínimo possível → exige um desoxidante adequado.



Desoxidação enérgica:- A solubilidade dos gases em geral diminui com a temperatura- O oxigênio e o hidrogênio coexistem no metal líquido. Mesmo um teor residual de hidrogênio em presença de um teor relativamente grande de oxigênio, causará a formação de vapor de água e, portanto, porosidade.Importante: O processo só será bem sucedido se a liga não contiver elementos com forte afinidade pelo oxigênio.Ex.: Ligas de alumínio, ligas de cobre com mais de 0,5% de zinco ou 0,05% de fósforo.

5) Outros processos de desgaseificaçãoa) Por aquecimento prolongado a determinada temperaturaEx.: eliminação do hidrogênio no açob) Por vibração: pela aplicação de freqüências correspondentes a ondas sonoras ou ultra-sons, a metais em solidificação, é possível desgaseificar apreciavelmente esses metais.

SolidificaSolidificaçção de metais e ligas ferrosas e nãoão de metais e ligas ferrosas e não--ferrosasferrosas


Temperatura de solidificação ⇒ energia livre da fase sólida se iguala à da fase líquida.Por que um metal líquido se solidifica?O arranjo dos átomos no cristal sólido tem uma energia livre menor do que os mesmos átomos no estado líquido.

Metais puros ⇒ solidificam em uma temperatura constanteLigas metálicas ⇒ solidificam em uma faixa de temperatura ; mistura de fases sólida e líquida



Processo de Solidificação ⇒ transformaçõesEstudos das transformações ⇒ Diagramas de equilíbrio de fases

São representações gráficas dos domínios de estabilidade das fases presentes numa determinada liga metálica, em função da composição química, da temperatura e, em certos casos, da pressão.

Diagramas de equilíbrio de fases1) Sistemas Isomorfos ou de soluções sólidas: um único tipo de estrutura

cristalina para todas as proporções dos componentes.

2) Sistemas com reações invariantes: A maior parte das ligas de interesse tecnológico são binárias ou ternárias e seus diagramas de equilíbrio contemplam reações invariantes.



Diagramas de equilíbrio de fases1) Sistemas Isomorfos ou de soluções sólidas:

Mudança de estrutura de uma liga Cu 40%Ni durante a solidificação de equilíbrio.





Mudança de estrutura de uma liga Cu 30%Ni durante a solidificação fora de equilíbrio: a) Sem difusão no sólido b) Com difusão no sólido



2) Reações Invariantes2.1) Uma fase dando origem a duas outras no resfriamentoa) Reação Monotética ⇒ L1 → L2 + αb) Reação Eutética ⇒ L1 → α + β *c) Reação Eutetóide ⇒ γ → α + β *2.2) Duas fases se juntam para formar uma terceira fase no resfriamentoa) Reação Sintética ⇒ L1 + L2 → βb) Reação Peritética ⇒ L + α → β *c) Reação Peritetóide ⇒ γ + α → β

Reação Eutética – Sistema Pb – Sn Solidificação em equilíbrio

Composição 1 – Eutética L → α + βTfusãoE < TfusãoPb e TfusãoSn2 – Hipoeutética3 – HipereutéticaEstrutura eutética: lamelar, globular e acicular



Reação Eutética – Sistema Pb - Sn



Reação Eutética – Sistema Pb – Sn Solidificação fora de equilíbrio



Reação Peritética – Sistema Cu – Zn Solidificação em equilíbrio

Composição entre 32,5% até 38% de Zn → ligas peritéticasL + α → βTfusãoCu < Tperitética < TfusãoZnAbaixo de ≈ 700ºC → β se transforma em α por difusão



Reação Peritética – Sistema Cu – Zn Solidificação fora do equilíbrio

Não há tempo suficiente para que a solução sólida α reaja com o líquido para formar a solução sólida β.



Reação Eutetóide – Sistema Fe – Fe3C Solidificação em equilíbrio

As transformações ocorrem no estado sólido: γ → α + βLiga Eutetóide → corresponde à liga de mais baixa temperatura de transformação sólida.Composição 1 - EutetóideComposição 2 – HipoeutetóideComposição 3 – Hipereutetóide

2 1 3




Composição 1 – EutetóideEstrutura final: lamelas alternadas de α + β (Perlita)




Composição 2 – HipoeutetóideEstrutura final:Fase α + lamelas alternadas de α + β ⇒ α + perlita




Composição 3 – HipereutetóideEstrutura final:Fase β + lamelas alternadas de α + β ⇒ β + perlita



Sistemas Fe – C e Fe – Fe3C Alotropia do ferro puro: Formas alotrópicas: ALFA, GAMA e DELTA Ac – aquecimento Ar – resfriamento

Soluções sólidas:•Ferro δ ou Ferrita δ: solução sólida de C em FeCCC (máxima solubilidade: 0,09% a 1495ºC)•Ferro γ ou Austenita: solução sólida de C em FeCFC (máxima solubilidade: 2,11%C a 1148ºC)•Ferro α ou Ferrita: solução sólida de C em FeCCC (máxima solubilidade: 0,02%C a 727ºC)

FeCCC FeCFC

Sistemas Fe – C e Fe – Fe3CSolidificaSolidificaçção de metais e ligas ferrosas e nãoão de metais e ligas ferrosas e não--ferrosasferrosas


Produtos siderúrgicos de maior importância:1) Ferro comercialmente puro – Liga Fe-C com teor de C abaixo de 0,008%2) Aço: Liga Fe-C com teor de C variando entre 0,008 a 2,11%3) Ferro Fundido: Liga Fe-C* com teor de C variando entre 2,11 a 6,67%* Fe-C-Si

Soluções sólidas:Ferrita δ; Austenita (γ ); Ferrita (α)Composto estequiométrico: Cementita Fe3C; 93,33%Fe e 6,67%C Estrutura ortorrômbica.Reações: Peritética; Eutética; Eutetóide

Diagrama de fases do sistema Fe - Fe3C Família dos aços & Família dos ferros fundidos



Diagrama de fases do sistema Fe - Fe3CLinha A1: indica a reação eutetóide γ → α + Fe3C a 727ºCLinha A3: indica a temperatura de transformação γ → αLinha ACM: indica a temperatura de transformação γ → Fe3CLinha A4: indica a temperatura de transformação γ → δ



Diagrama de fases do sistema Fe - Fe3C

Principais microconstituintes:

a) Ferrita: solução sólida de C no ferro alfab) Austenita: solução sólida de carbono no ferro gama

c) Cementita: carboneto de ferro – Fe3Cd) Perlita: eutetóide composto por lamelas alternadas de ferrita e cementita

e) Ledeburita: eutético constituído por colônias de perlita sobre um fundo de cementitaf) Steadita: Fe3C-Fe3P (eutético fosforoso)

* Influenciam as propriedades físicas e mecânicas



Peritética: δ + L > γtemperatura peritética: 1495°Ccomposição peritética: 0,25%Cponto peritético: 1495°C e 0,25%C

Eutética: L > γ + Fe3Ctemperatura eutética: 1148°Ccomposição eutética: 4,3%Cponto eutético: 1148°C e 4,3%C

Eutetóide: γ > α + Fe3Ctemperatura eutetóide: 727°Ccomposição eutetóide: 0,77 %Cponto eutetóide: 727°C e 0,77%C




2 1 3

Reação eutetóide: a 727ºC γ0,77%C → α0,02%C + Fe3C6,67%C

1 - Liga Eutetóide(α + Fe3C) → Perlita

2 - Liga Hipoeutetóide: α + (α + Fe3C) → Ferrita + Perlita

3 - Liga Hipereutetóide:β + (α + Fe3C) → Cementita + Perlita



Reação eutética: L 4,3%C → γ 2,11%C + Fe3C 6,67%C a 1148ºCLiga Eutética → corresponde à liga de mais baixa temperatura de fusãoComposição 1 – Eutética γ + Fe3CComposição 2 – Hipoeutética γ +( γ + Fe3C)Composição 3 – Hipereutética Fe3C +( γ + Fe3C)

2 1 3Diagrama de fases do sistema Fe -Fe3C




Composição 1 – Eutética γ+ Fe3C → LedeburitaAbaixo de A1 (727ºC) γ → α + Fe3C (Perlita)Estrutura final: Ledeburita constituída de glóbulos de Perlita sobre um fundo de Cementita.




Composição 2 – Hipoeutética γ +( γ + Fe3C) → γ + LedeburitaAbaixo de A1: Estrutura final: dendritas de Perlita envolvidas por Ledeburita(glóbulos de Perlita sobre um fundo de Cementita).


Composição 3 – Hipereutética Fe3C + ( γ + Fe3C) → Fe3C + LedeburitaAbaixo de A1: Estrutura final: cristais alongados de Cementita e um fundo de Ledeburita (glóbulos de Perlita sobre um fundo de Cementita)





Metal no estado líquido: os átomos vibram, mas não possuem posição definida ⇒ apenas agrupamentos momentâneos

Metal no estado sólido: os átomos vibram com uma certa freqüência em torno de posições geometricamente definidas.

Temperatura de fusão (Tf): equilíbrio termodinâmico entre um sólido e seu respectivo líquido.

Energia Livre de Gibbs: energia que controla o processo (sistema sob T e P constantes)G = E – TS + PV, sendo H = E +PV ⇒ G = H - TSOnde G – parâmetro indicador da estabilidade do sistema ; H – entalpia da fase (ligação entre os átomos); T – temperatura absoluta; S - entropia do sistema ( desordem da fase); E – Energia interna da fase; P – pressão; V -volume



Transformação de fase: ΔG = GL – GS ou ΔG = (HL – TFSL) – (HS – TFSS)

Se ΔG >0 ⇒ reação impossívelSe ΔG =0 ⇒ reação em equilíbrioSe ΔG <0 ⇒ reação pode ocorrer ( sentido espontâneo)

Quanto mais negativo for ΔG, maior a força motriz e maior a tendência de ocorrer a reação.

HL – HS = L Calor latente L: L = HL – HS = T ΔS (ΔS = 2 a 5cal.grau-1.at.g-1)



Solidificação: abordagem termodinâmica e cinéticaSuperaquecimento e super-resfriamento



Curva de resfriamento: Super-resfriamento → ΔT



Solidificação de ligas metálicas:Intervalo de solidificação: ΔT = TL – TS

H = HSfS + HLfL Onde: HS e HL – entalpia do sólido ; (S) e do líquido (L); fS e fL – frações de sólido (S) e líquido (L)

ΔG: critério indicador da maior ou menor estabilidade termodinâmica do sistema. Na solidificação: a nucleação envolve a formação de partículas de sólido envolvidas pelo material líquido.

Nucleação: aspectos termodinâmicos e condições cinéticas da transformação.Nucleação homogênea: quando o sólido é formado dentro do próprio líquido sem o auxílio de nenhum tipo de estimulante energético externo.Nucleação heterogênea: a formação do núcleo sofre uma ação catalisadora de superfícies adequadas e de natureza diversa do líquido.



Nucleação homogêneaFormação do embrião ⇒ formação de uma superfície que o separa do líquido desordenado.

Associada à superfície ⇒ Energia livre positivaEmbrião só sobrevive se a energia livre total diminuir Embrião de forma esférica ⇒ menor relação superfície volume

ΔGT = ΔGV + ΔGS < 0ΔGV – variação de energia livre associada ao volumeΔGS – variação de energia livre associada à superfície

Estabilidade do embrião de raio r: depende da diminuição de sua energia livre de volume (ΔGV < 0), assim como do aumento da sua energia livre de superfície (ΔGS > 0)



FFV

LSLS

V

TTLr

TTLrG

SSTHHGG

GGrG

33

12

123

34)1(

34

)()(

)(34

SLVF

SLS

TrLT

TrG

TrG

)4()34(

4

23

2

LV – calor latente de fusão; ΓSL- tensão superficial entre as fases sólida e líquida (sempre positivo) ; ΔGC – energia de ativação para formar um núcleo estável de raio rc



ΔGT = ΔGS – ΔGV ≤ 0

r < rC → núcleosDiluem

r > rC → núcleoscrescem



Influência do super-resfriamento

2

23

23

)(316

2

0)(

)4()34(

TLTTG

TLTTr

rG

TrLT

TrG

V

FSL

V

FSL

SLVF



O aumento do super-resfriamento é um fator estimulante da nucleação ⇒redução do raio crítico e da energia crítica Os metais de modo geral apresentam:

TSL≅10-5cal/cm2 ; LV ≅102cal/cm2

rC ≅10-7cm = 10Å ⇒ núcleo homogêneo de um metal tem a forma aproximadamente esférica ordenada estruturalmente por cerca de 200 a 300 átomos.

2,0

FTT

Freqüência ou intensidade de nucleação (I) → parâmetro que traduz a quantidade de núcleos que aparece por unidade de volume no metal líquido e na unidade de tempo.

kTTLTTC

ar

aDI

V

FSLL

C22

3

2

2

2 316exp.4

a - distância que um átomo do líquido deve saltar para agregar-se ao embrião sólido (m)CL - número de átomos/m3 no líquidoD - coeficiente de difusão no líquido (m2/s)K - constante de Boltzmann = 1,38.10-23J/KT - temperatura de nucleação (TF - ΔT)



Nucleação HeterogêneaA solidificação ocorre a partir de superfícies pré-existentes tais como: partículas sólidas em suspensão no líquido, paredes de molde, uma película de óxido na superfície do líquido ou elementos ou compostos inseridos propositadamente.



A estabilidade do núcleo exige o equilíbrio mecânico das tensões superficiais no ponto de junção entre as três superfícies em contato σLT - σST = σSL cosθ

onde:σLT – energia superficial líquido/substrato; σST – energia superficial sólido/substrato; σSL – energia superficial sólido/ líquido; θ – ângulo de molhamento



ΔG = SSL σSL + SST(σST - σLT ) + V ΔGV ; onde :SSL – superfície sólido/líquido = 2πr2(1-cosθ)SST – superfície sólido/substrato = πr2(1-cos2θ)V – volume da calota esférica = 1/3.πr3(2-3cos θ + cos3 θ)ΔGV – variação da energia livre/unidade de volume TL

Tr

TTL

FSLC

F

2

3

2

23

coscos32(41

)(316

TLTG FSL

C

Para θ=180ºC ⇒ ΔG é a mesma da nucleação homogêneaMolhabilidade ↑ e θ ↓ ⇒ nucleação heterogênea é favorecida



Para o substrato côncavo, o núcleo apresenta menor volume e, conseqüentemente, exigirá menor super-resfriamento. Taxa de nucleação fica:

fkTTLTI FSL

2

233

316exp.10

Ca – número de átomos na superfície do substrato por unidade de volume de líquido ≅ 1020m-3 ⇒ área superficial total dos núcleos.

Metais ⇒

f

kTTLTC

ar

aDI FSL

aC

2

23

2

2

2 316exp.)cos1(2



Inoculação para refino de grãoPropriedades mecânicas ⇒ estruturaEstrutura refinada: resfriamento controlado (taxas de resfriamento elevadas) ou utilização de agentes nucleantes.Eficiência do agente nucleante: aumenta à medida que produz menores ângulos de contato entre a partícula nucleante e o núcleo sólido que está se formando. -Elevada energia de superfície entre a partícula e o líquido: σSL

-Baixa energia de superfície entre o sólido formado e a partícula: σST

Agente nucleante:1- Similaridade entre os parâmetros das redes cristalinas do núcleo e do substrato ⇒ ⇒índice de epitaxia

as= espaçamento da rede cristalina do substrato; an= espaçamento da rede cristalina do núcleo2- Afinidade química entre o núcleo e o substrato; 3- Deve ser o mais estável possível (insolúvel no líquido); 4- Deve apresentar um máximo de área superficial

n

ns

aaae



Exemplos de agentes inoculantes:Titânio e Boro para ligas de alumínioFerro-Silício para nucleação da grafita nos ferros fundidosCarbono e Zircônio para ligas de magnésioFerro ou Zircônio para ligas à base de cobreArsênico e Telúrio para ligas de chumboTitânio para ligas de zincoNióbio e Titânio para aços carbono

Agente inoculante: Titânio e Boro para ligas de alumínio

Sem inoculante Com inoculante



Agente inoculante: Vibração do molde



Mecanismos de crescimentoCrescimento do núcleo ⇒ estrutura atômica da interface sólido/líquido → maior ou menor facilidade do átomo para se ligar à interface de crescimento.

Difusa ou Rugosa: caracteriza-se pela separação entre o sólido e o líquido por meio de uma faixa mista de regiões ordenadas e desordenadas com uma espessura de aproximadamente 50 átomos ⇒ característica dos metais.

Facetada ou lisa: caracteriza-se pela separação entre a fase sólida e a fase líquida por meio de uma faixa abrupta e nítida com não mais que 5 átomos de espessura ⇒ característica dos materiais cerâmicos.



Difusa ou Rugosa: característica dos metaisFacetada ou lisa: característica dos materiais cerâmicos



Morfologia microscópica da interface durante o crescimento ⇒ análise através de materiais orgânicos. Tetrabrometo de carbono (CBr4) e Hexacloretano: interface difusa Salol e Benzil: interface facetada.

Morfologia da interface sólido/líquido

Etapas bEtapas báásicas do processo de fundisicas do processo de fundiççãoão


Projeto do modelo (molde e machos)

Modelagem

Moldagem

Macharia

Fusão e preparação do metal líquido

Vazamento

Desmoldagem

Limpeza e Rebarbação

Controle de qualidade



Tecnologia da Fundição



ModelagemOperação que consiste na fabricação do modelo, de caixas de machos e,

por extensão de todos os elementos de manufatura, necessários à

fabricação de uma peça fundida.

Escolha do tipo de modelo:a) Quantidade de peça a ser produzida

b) Fidelidade de reprodução exigida ( forma e tolerâncias dimensionais

c) Tamanho e formato da peça a ser fundida

d) Equipamento de moldação disponível

e) Estágio de desenvolvimento do projeto da peça

f) Índices de produtividade desejados (produção e custos)



Além dos fatores mencionados na “Escolha do Tipo de Modelo”, deve-se levar em conta:



Materiais para modelos e caixas de macho:-Madeiras (cedro, peroba, imbuia, marfim, cabreúva, compensados, etc.)Modelo mestre: reprodução em outros materiais

-Metais: alumínio, bronze, magnésio, ferro cinzento e aços ; -Resinas epoxi; -Poliestireno; -Gesso; -Plástico (prototipagem rápida)

Modelos em madeira

1.São os mais usados no caso de fundição em areia

2.Apresentam baixo custo e facilidade de dar-lhes forma

3.Podem ser usados como modelos soltos ou em placas

4.Muito usado como modelo padrão, devendo-se observar, neste caso, o

problema da dupla contração

5.Maior problema: umidade



Modelos em madeira



Modelos metálicosSão usados quando se necessita de:

1.Elevada resistência ao desgaste2.Estabilidade dimensional

3.Usinabilidade4.Acabamento superficial bem fino após usinagem5.Facilidade de desmoldagem

6.São especialmente indicados para a produção de grandes séries de peças, especialmente em placas-modelo para moldagem em máquina

A obtenção destes modelos por ser feita :Pela fundição em areia de um modelo de dupla contração em madeira e usinagem posterior.Pela produção do modelo totalmente por usinagem, quando o formato permite



Modelos metálicos modelos em Alumínio



Modelos em resina epoxi (araldite):

Vantagens:

1.Excelente estabilidade dimensional

2.Facilidade de construção

3.Alta resistência a ataques químicos

4.Boa qualidade para reparos

5.Elevada resistência ao impacto e à abrasão

6.Contração de solidificação quase nula (elimina a dupla contração)

7.Boa qualidade superficial dispensando acabamento

8.Facilidade para duplicar o modelo (negativo original de madeira)



Modelos em resina epoxi (araldite):



Modelos em Poliestireno (Isopor)Vantagens:

1.Permite geometrias complexas2.Alta precisão dimensional3.Ausência de defeitos de linha de partição de moldes4.Os ângulos de saída são mínimos5.Flexibilidade no projeto reduzindo os machos necessários6.Ausência de retenção de ar

7.Adequado para pequenas e grandes produções

A obtenção destes modelos pode ser feita por:1.Usinagem de blocos no caso de grandes dimensões e baixa produção2.Moldagem de grânulos pré-expandidos em moldes metálicos (aquecimento com

vapor ou água quente ⇒grânulos se expandem e se ligam tomando a forma do molde metálico).

Obs.: O modelo já deve ter o sistema de canais e alimentadores. O modelo érecoberto com pintura refratária.



Modelos em Poliestireno (Isopor)



Prototipagem rápida•Estereolitografia (resina líquida)•Sinterização seletiva a laser (pó)

•Manufatura de objetos em lâminas (lâminas de metal, plástico, papel ou compostos)•Obs.: a sinterização seletiva a laser é muito usada na área médica



Qualidades de um modelo:a)Resistência adequada ao processo escolhidob)Custo reduzido para a qualidade exigidac)Exatidão, no sentido de atender as exigências do desenho e de projetod)Apresentar os requerimentos necessários para facilitar a moldação

e)Permitir reduzir ao mínimo as operações de acabamento da peça fundida

O modelo deve apresentar:a)O material necessário para compensar a contração do metal líquido durante a

solidificaçãob)O sobremetal necessário nas superfícies que serão usinadas, posteriormente na

peçac)Uma tolerância nas paredes verticais, chamada ângulo de saída, para facilitar a

retirada do modelo do molded)Em alguns casos, o modelo apresentará as chamadas marcações de machos,

para suportar os machos usados para produzir formas que não podem ser obtidas diretamente do modelo

e)Nervuras, como reforços estruturais, quando necessário



Diferença entre a peça usinada e o modelo:

1)Sobre espessura de usinagem

2)Contração linear

3)Ângulo de saída

4)Marcações



Caixas de machos: os princípios técnicos empregados para produzir e projetar caixas de machos são praticamente os mesmos utilizados na confecção de modelos

Macho: é uma parte do molde fabricada separadamente e colocada em sua cavidade após a extração do modelo para:-obtenção, de maneira mais econômica, de formas internas ou externas deuma peça

-facilitar a construção do modelo.

Caixas de machos exigências-Devem possibilitar um enchimento fácil

-Produzir marcações que possibilitem um ajuste perfeito do macho no molde





MarcaçõesMarcações em modelos são partes salientes que após a moldagem

deixam sua impressão no molde permitindo o posicionamento dos machos

Às marcações do modelo correspondem as marcações dos machosAs marcações contribuem para:-O perfeito posicionamento dos machos-Dar estabilidade aos machos

-Permitir a saída de gases dos machos

As dimensões e as formas das marcações dependem:-Da posição do macho no molde-Do peso do macho-Da série de peças que devem ser produzidas-Da precisão dimensional da peça-Da necessidade de facilitar a saída dos gases do macho-Dos esforços que o macho sofre durante o vazamento do metal no molde



ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoão


A base de todos os processos de fundição consiste em vazar o metal líquido na cavidade de um molde, com o formato requerido, seguindo-se um resfriamento, a fim de produzir uma peça que resulta da solidificação do metal.

O que distingue um processo de fundição de outro é a natureza do molde onde se vaza o metal líquido.

Classificação Geral dos Processos de Fundição

Moldes Colapsáveis

Moldes Semi-Permanentes

Moldes Permanentes


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoão1 - Moldes ColapsáveisAreais verde; Areia seca (estufada); Processo silicato de sódio/CO2; Areia Cimento Areia + ligantes inorgânicosMoldagem em Casca (Shell molding); Processo de cura a frio (cold box) Areia + ligantes orgânicosProcesso em molde Cheio; Moldagem a vácuo; Processo de moldes congelados Areia sem ligantes Processo em cera perdida (investment casting) Outros refratários ≠Areia

2 - Moldes Semi-PermanentesGesso, Grafite, Molde externo metálico e interno (macho) em areia

3 – Moldes PermanentesFundição por gravidade; Fundição sob pressão (Die Casting); Fundição por Centrifugação; Fundição contínua.Obs.: O molde deve conter, além da cavidade da peça e marcações, os canais para vazamento do metal.


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoFundição em areia Neste processo a mistura formadora do molde é constituída de: Elemento granular refratário(areia base) + Elemento aglomerante(orgânico, inorgânico) com ou sem a presença de água.O estudo da areia base deve ser feito com base em três aspectos principais:o Granulametria, que compreende o tamanho médio e a forma dos grãos e a distribuição granulométricao Comportamento térmico, avaliado pela refratariedade, estabilidade dimensional e difusividade térmicao Comportamento químico em relação ao metal fundido

Areias usadas em fundição Sílica: produzida pela decomposição do granito, funde a 1725ºC e tem densidade relativa igual a 2,65g/ml Zirconita: é um silicato de zircônio, funde a 2500ºC e em densidade relativa igual a 4,7g/ml Cromita: é constituída principalmente de óxidos de cromo e ferro, funde a 2200ºC e tem densidade relativa igual a 4,5g/ml Olivina: é um mineral constituído essencialmente de por ortosilicato de magnésio e ferro, funde a 1800ºC e tem densidade relativa igual a 3,4g/ml


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoPropriedades exigidas às areias de fundição:

-Estabilidade térmica e dimensional a elevadas temperaturas-Distribuição de forma e tamanho de partículas adequada-Não apresentar reatividade química com o metal fundido-Não apresentar uma molhabilidade fácil com o metal fundido-Estar livre de partículas de baixo ponto de fusão-Estar livre de produtos que gerem gases às altas temperaturas envolvidas-Apresentar composição uniforme-Ter compatibilidade com o aglomerante-Apresentar baixo custo

Areia base: Tamanho de grão Vazios em areia grossa e em areia fina


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoPropriedades e características das areias de fundição:

Refratariedade: é a capacidade da areia de suportar as temperaturas de vazamento dos metais sem fundir nem amolecer Permeabilidade: é a capacidade que a areia apresenta de ser permeável, isto é, de deixar-se atravessar por gases através de seus poros. Depende do tamanho, distribuição, forma e modelo de empacotamento da areia Estabilidade térmica: é a capacidade de não sofrer variações volumétricas em função de mudanças na temperatura (Sílica: transformação quartzo α em quartzo β a 573ºC acompanhada de aumento de volume) Difusividade térmica: depende principalmente do tipo de areais base, mas o tipo de aglomerante a ser usado tem grande influência sobre esta propriedade


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoFundição em areiaInfluência a granulometria sobre as propriedades das areias base.Para uma areia com grãos grosseiros:Refratariedade ⇒aumenta; Permeabilidade ⇒aumenta; Difusividade térmica ⇒aumenta; Estabilidade térmica ⇒aumenta; Resistência mecânica ⇒aumenta; Acabamento superficial ⇒diminui

Classificação das areias:Areia Nova: é a que é utilizada pela primeira vez na fundiçãoAreia usada: é a que foi recuperada de fundições anterioresAreia de faceamento: parte da areia que faceia (recobre) o modelo e que entra em contato com o metal no vazamento Areia de enchimento: parte da areia que constitui o restante da caixa de moldagemAreia de macho: é aquela destinada ao preparo dos machosAreia verde ou úmida: é a que mantém aproximadamente a mesma umidade do preparo no momento do vazamentoAreia estufada ou seca: é aquela preparada com composição adequada e que sofre um cozimento em estufa antes do vazamento



Fundição em Areia Verde Características

1.Processo mais popular de fundição –cerca de 90% da produção de fundidos

(em volume de metal líquido)

2.Baixo custo

3.Amplamente utilizado tanto para pequenas quanto elevadas produções

4.Grande versatilidade quanto ao peso (de poucos gramas até dezenas de

toneladas)

5.Utilizada para ligas ferrosa e não-ferrosas

6.Complexidade de geometria é limitada pela necessidade de modelo

7.Material de moldagem: areia (75%) + argila (3 a 15%) + água + aditivos

para fins específicos



Fundição em Areia Verde AglomerantesArgila: é uma rocha plástica, constituída essencialmente por silicatos de alumínio hidratados, denominados minerais de argila ou argilo-minerais, que podem conter sílica livre ou outras impurezas

Argilo-minerais: Grupo da caulinita; Grupo das micas hidratadas; Grupos das montmorilonitas (OH)4Al4Si8O20.nH2OAs argilas montmoriloníticas provenientes de alterações de cinzas vulcânicas são denominadas “Bentonitas”.

Bentonita: aglomerante mineral usado no preparo da areia verde.

Argilas montmoriloníticas sódicas: em que se tem a substituição do alumínio por algum magnésio, mas não por quantidades apreciáveis de ferro e nas quais o sódio é o principal cátion trocável. Tais argilas incham muito quando umedecidas para formar géis tixotrópicos estáveis.

Fundição em Areia Verde AglomerantesArgilas montmoriloníticas cálcicas ou de hidrogênio: onde uma quantidade considerável de alumínio é substituído por ferro. O cálcio e, algumas vezes, o hidrogênio, são os principais íons trocáveis. Essas argilas incham ligeiramente em água, dispersam-se facilmente e formam suspensões relativamente estáveis.

Por um processo artificial de “ativação” pode-se substituir parcialmente os íons Ca++ ou H+ nas montmorilonitas que os contêm, por íons Na+.No caso das argilas montmoriloníticas, o poder aglomerante é influenciado pelos cátions trocáveis

A presença de cátions Na+ permitem que essas argilas mantenham rigidamente, na superfície de suas partículas, camadas mais espessas de água do que o permitem a presença de cátions Ca++ ou H+. Por esta razão as argilas montmoriloníticas sódicas têm maior poder aglomerante que as cálcicas

Areias aglomeradas com bentonitas sódicas: apresentam estrutura aberta, de alta permeabilidade que, associada com uma baixa umidade, propicia pequena evolução de vapores e eficiente drenagem dos mesmos, por ocasião do vazamento de metal




ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoFundição em Areia Verde Aditivos

Pó de carvão: adicionado com a finalidade de melhorar o acabamento superficial das peças produzidas e, para o caso de aços e ferros fundidos, evitar a descarbonetação.

Outros: dextrina, mogul, óleos secativos(machos), óxido de ferro.Os moldes produzidos em areia verde podem ser pintados para melhorar o acabamento superficial.Fundição em Areia Verde Preparação da areiaMisturadores de mós verticais com ciclo de mistura de 5 a 10 minutos ou horizontais com ciclo de mistura de 50 a 150 segundos.


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoFundição em Areia Verde Métodos de compactação

1. Manualmente: soquetes manuais e pneumáticos

2. Mecanicamente: Socamento–Impacto

3. Compressão

4. Compressão vibratória

5. Sopragem

6. Processo Disamatic: compactação de alta compressão

Fundição em Areia Verde Sequencia de operação(ver apostila: aula 10 páginas 25 a 33)


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoMoldagem pelo Processo em Casca (Shell Molding)Desenvolvido nos anos 1940 na Alemanha, Usado na produção de moldes e machos.Composição da areia: areia base + resina de cura a quente (areia coberta).Tipos de resina: fenol-formaldeído, ureia-folmaldeído, melamina-formaldeído.São utilizadas areias de granulometria fina para alta fluidez (não hácompactação).Modelos: são metálicos (aço, bronze, latão) de alta qualidade e acabamento superficial, colocados em placas


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoMoldagem pelo Processo em Casca (Shell Molding) Técnica de produção:

1) Mistura de moldagem é colocada em contato com o molde aquecido (temperatura: 150-300ºC)

2) A resina, com aquecimento, é polimerizada formando uma casca sobre o modelo em tempos de 3 a 5 minutos

3) O conjunto modelo-casca formada é colocado numa estufa para completar a cura e homogeneizar a espessura da casca

4) A casca é destacada do modelo. Faz a montagem das cascas para formar o molde, estando pronto para o vazamento do metal líquido

5) A espessura da casca (5 a 10mm) deve ser suficiente para suportar a pressão metalostática.

Vantagens: •Produção de peças com grande precisão dimensional, complexidade geométrica e excelente acabamento superficial; •Produção de moldes com grande rapidez; •Redução do volume de areia utilizada; •As cascas são de baixo peso, facilitando o transporte, e podem ser armazenadas devido à estabilidade da resina.

Desvantagens: •Custo elevado da areia, dos modelos e equipamentos; •Limitação a peças pequenas e médias (até cerca de 15kg); •As areias não são recuperáveis


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoMoldagem pelo Processo em Cera Perdida (InvestmentCasting):Utilizado desde a antiguidade: 4000A.C. Teve sua importância maior a partir dos anos 1940 com a produção de componentes de precisão para a indústria aeronáutica.Técnica de produção:1) O modelo em cera é produzido por injeção em moldes metálicos de elevada precisão2) Várias unidades de modelos são montados num único canal central, formando uma árvore3) A árvore é mergulhada em pasta refratária (alumina, sílica, gesso, silicato de zircônio e outros refratários de granulometria muito fina + ligantes à base de etil-silicatos).4) A mistura refratária adere à cera, formando uma casca de superfície interna bastante lisa (revestimento primário)5) O conjunto é revestido com materiais refratários de grãos mais grosseiros para aumentar a resistência (revestimento secundário)6) Faz-se o aquecimento do conjunto para eliminação da cera, que será reutilizada7) Faz-se o cozimento da casca refratária. Molde pronto para o vazamento do metal líquido

Vantagens: •Produção de peças de excelente acabamento e precisão dimensional; •Reproduz fielmente geometrias complexas e seções reduzidas

Desvantagens: •Custo elevado do molde metálico para produção do modelo em cera.; •Lama refratária é cara; •Custo de equipamentos e mão de obra elevado; •Processo trabalhoso e lento.


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoMoldagem pelo Processo em Cera Perdida (InvestmentCasting): Fotos

Outros Processos: Moldes colapsáveisFundição pelo Processo em Molde Cheio

Fundição pelo Processo a Vácuo

Fundição pelo Processo em Moldes Congelados (N2)

Fundição pelo Processo CLA (Counter Gravity Low Pressure Air Melted Alloys)

Escolha de um Processo de FundiçãoQuanto à peça:

1) Tipo de metal

2) Tamanho, peso e formato da peça

3) Volume de produção

4) Tolerâncias dimensionais

5) Acabamento superficial

6) Propriedades mecânicas ou físicas



Quanto ao processo:

1) Custo do equipamentos

2) Custo dos insumos

3) Custo do preparo dos moldes

4) Método de limpeza das peças

5) Método de usinagem das peças

6) Tratamentos superficiais

Tintas Usadas nos Processos de Fundição As tintas refratárias são usadas nos processos de fundição para melhorar o acabamento superficial, impedir ou minimizar o aparecimento de certos defeitos e permitir a fácil desmoldagem da peça fundida.Composição básica das tintas refratárias 1) Uma ou mais cargas minerais refratárias;

2) Solventes / Veículos (água, solventes inflamáveis e autosecativos); 3) Agentes de suspensão; 4) Fixador / Aglomerante

Tipos de tintas De acordo com a aplicação: tintas para moldes e machos em areia e tintas para coquilhas

Tintas Usadas nos Processos de FundiçãoPrincipais cargas refratárias usadas em moldes e machos de areia:

1) Materiais contendo carbono: grafite e coque moído2) Silicatos: silicatos de zircônio, silicato de magnésio e silicato de alumínio3) Óxidos: óxido de magnésio, dióxido de silício e óxido de alumínio

Principais cargas refratárias usadas em coquilhasAs tintas são principalmente à base de caolim, silicato de sódio, grafita e água



Tintas Usadas para Moldes e Machos em Areia Escolha da tinta

Deve-se considerar os seguintes aspectos relacionados à carga refratária:1) Tamanho e forma das partículas: quanto mais fina a partícula, mais fácil será

mantê-la em suspensão, mas se houver excesso de material fino, a maior parte ficará entre os grãos de areia, provocando uma cobertura pobre e, conseqüentemente, prejuízo no acabamento superficial da peça

2) Densidade: esta característica é que rege a quantidade de agente em suspensão3) Refratariedade: o ponto de fusão do refratário deve ser maior que o ponto de fusão do metal, para evitar problemas de penetração de material e sinterização


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoTintas Usadas para Moldes e Machos em Areia Escolha da tinta4) Expansão térmica: a diferença de expansão térmica entre o refratário e o molde ou macho deve ser contornada utilizando-se refratários com estrutura lamelar, combinada com isolação térmica e minerais com baixa condutividade térmica5) Reatividade química com o metal vazado e com o molde: o material refratário deve ser quimicamente inerte ao material base do molde/macho e ao metal vazado6) Custo: o material deve ter o menor custo possível de acordo com a qualidade exigida

Tintas Usadas para Moldes e Machos em Areia Escolha do solvente•Água: a qualidade da água é fundamental. Águas duras podem afetar negativamente

nas propriedades químicas dos agentes de suspensão e, conseqüentemente, na qualidade da tinta

•Solventes inflamáveis: o álcool isopropílico e o álcool etílico são os solventes mais seguros, pois apresentam queima lenta (evita a friabilidade da areia) e quente (permite a cura do aglomerante usado)

•Solventes autosecativos: incluem o tetracloreto de carbono, cloreto de metileno, cloro-etano, entre outros, cujas eficiências são baseadas na sua rápida evaporação, fazendo com que sejam menos perigosos que o isopropanol e o etanol


ClassificaClassificaçção dos processos de fundião dos processos de fundiççãoãoTintas Usadas para Moldes e Machos em Areia Vantagens do uso das tintas:

1) Melhora o acabamento superficial2) Facilita a desmoldagem e a limpeza da peça fundida3) Reduz os defeitos originados na interface areia/metal4) Fixa melhor o grão de areia do molde/macho, evitando defeito de inclusões nas

peças fundidas5) Regula a permeabilidade6) Diminui a evolução e a difusão de gases na interface areia/metal7) Diminui a necessidade de trabalho de rebarbação

8) Diminui o refugo

Tintas Usadas para Coquilhas As principais funções das tintas na fundição em coquilha são: 1) Controlar o fluxo de metal durante o preenchimento da cavidade da coquilha, garantindo que o metal líquido alcance todas as partes da coquilha com temperatura suficiente para evitar defeitos de enchimento; 2) Controlar o gradiente térmico para obter solidificação direcionada, evitando peças com rechupes; 3) Facilitar a extração da peça; 4) Produzir bom acabamento superficial; 5) Proteger a superfície da coquilha contra o ataque do metal vazado, diminuindo o choque térmico.


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidas

Classificação Geral dos Defeitos de FundiçãoDefeitos de ordem metalúrgica; Defeitos devido ao molde; Defeitos devido à concepção

dos sistemas de canais e massalotes.

I) Defeitos de ordem metalúrgica:1) Heterogeneidade de composição: segregação, inclusões de óxidos, inclusões de

escória, liquação, exsudação

2) Defeitos de fluidez: Fluidez baixa: enchimento incompleto, junta fria, gota fria;

Fluidez alta: penetração de metal, excesso de rebarbas

3) Defeitos devido a gases: bolhas e porosidade

4) Defeitos de estrutura: coquilhamento dos ferros fundidos

5) Defeitos de contração líquida: rechupes e porosidades

6) Defeitos de contração sólida: trincas, tensões internas, deformação, defeitos

dimensionais (falta de material), fenda ou ruptura da peça


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasII) Defeitos devido ao molde:1) Moldabilidade: rugosidade2) Resistência baixa da areia: inchamento da cavidade, quebra do molde, erosão 3) Permeabilidade: bolhas e porosidades4) Baixa resistência a quente da areia: penetração de metal, inclusões (reação metal molde), erosão5) Estabilidade térmica da areia: escamas externas e crostas6) Deslocamento do moldes: junção cruzada

III) Defeitos devido à concepção dos sistemas de canais e massalotes1) Sistema de massalotes: rechupes2) Defeitos devido à utilização de resfriadores: bolhas, formação de zona branca nos ferros fundidos3) Sistema de canais: escamas, enchimento incompleto, junta fria, erosão, rechupe, porosidade, bolhas, oxidação do metal, inclusão de óxidos, inclusão de escória e inclusão de areia. Alguns defeitos que não comprometem a utilização da peça podem ser recuperados:Por soldagem: defeitos superficiais Por vedantes: porosidades, cavidades, fendas de contração


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasDefeitos de solidificaçãoDenomina-se defeito da solidificação toda a heterogeneidade surgida durante o resfriamento de um material fundido. A heterogeneidade refere-se à estrutura interna do material.A presença de vazios pode ser causada por fenômenos diferentes: contração de solidificação e presença de gases dissolvidos.Como resultado da contração de solidificação surgem vazios no material, que podem ser de dois tipos: macroporosidades (rechupes) e microporosidades

Condições para o surgimento de Micro ou MacroporosidadesO fator de dependência mais determinante no tipo de porosidade é o intervalo de solidificação. Ligas metálicas com pequeno intervalo de solidificação (caso também de metais comercialmente puros) possuem dendritas pequenas na interface L-S e tendem a gerar macroporosidade. Exceção: o alumínio é um caso excepcional pois, apesar de apresentar dendritas pequenas, tem grande contração de solidificação. Ligas metálicas com grande intervalo de solidificação (caso de alguns latões) apresentam dendritas grandes na interface L-S e tendem a gerar microporosidades


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasCondições para o surgimento de Micro ou Macroporosidades


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasCondições para o surgimento de Micro ou MacroporosidadesMacroporosidade: O que é: é um defeito de porosidade que se caracteriza por contrações concentradas em um único ponto da peça (que é a última região a se solidificar), resultando em um vazio grande e com superfície interna rugosa (formada pelas dendritas)Causas: efeito de contração do material na solidificação.Mecanismo de formação: A forma e a localização da macroporosidade depende do tipo de extração de calor sofrido pelo molde

Como evitar/reduzir: Uma técnica comum de se controlar a cavidade resultante das contrações de solidificação consiste no uso de alimentadores (denominados de “massalotes”), que são reservatórios de metal posicionados próximos da última região a se solidificar.


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasCondições para o surgimento de Micro ou MacroporosidadesMicroporosidade:O que é: é um defeito de porosidade que se caracteriza por suas pequenas dimensões e por estar distribuído ao longo da peça.Causas: Forma-se quando as dendritas presentes na frente de solidificação (interface L-S) são de grande tamanho.Mecanismo de formação: Há dificuldade do metal líquido penetrar entre as dendritas na interface L-S, devido à perda de carga. Com isto não são compensadas as contrações locais, aparecendo porosidades entre os braços das dendritas.Como evitar/reduzir: aumentar a extração de calor na peça através do uso de resfriadores na parede do molde, ou usar moldes metálicos


Defeitos em peDefeitos em peçças fundidasas fundidasCondições para o surgimento de Micro ou MacroporosidadesA figura abaixo mostra a formação típica das dendritas em materiais com pequeno intervalo de solidificação. Observe que não há formação de porosidades.

Para materiais com grande intervalo de solidificação a formação típica das dendritas leva ao aparecimento de microporosidades, como mostrado abaixo.

Resumo dos principais defeitos de fundição, suas causas e formas de eliminação





















Documents

Apostila