Apostila PFIII - Fundição

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUO MECNICA

PROCESSOS DE FABRICAO III Processos de Fundio Prof. Jaques Jonas Santos Silva

Resende, RJ, novembro de 2009.

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FICHA CATALOGRFICA 1. ed. Silva, Jaques Jonas Santos, 1971 Apostila de Processos de Fabricao III Fundio / Jaques Jonas Santos Silva. 1. ed. Rio de Janeiro: 2009. 49p. 1. Processos de fabricao 2. Fundio 3. Solidificao das ligas metlicas I. Ttulo

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NDICE

1

INTRODUO ENGENHARIA DE FABRICAO ................................................. 6 1.1 INTRODUO ............................................................................................................. 6 1.2 DEPARTAMENTOS DE UMA ORGANIZAO....................................................... 7

2

FUNDIO ..................................................................................................................... 10 2.1 FENMENOS QUE OCORREM NA SOLIDIFICAO DOS METAIS ............... 11 2.1.1 Cristalizao............................................................................................................. 11 2.1.2 Contrao de volume ............................................................................................... 12 2.1.3 Concentrao de impurezas..................................................................................... 15 2.1.4 Desprendimento de gases ......................................................................................... 16 2.2 ETAPAS DA FUNDIO............................................................................................ 17 2.3 CARACTERSTICAS DOS PROCESSOS DE FUNDIO .................................... 19 2.3.1 Caractersticas das peas fundidas.......................................................................... 19 2.3.2 Defeitos comuns no processo ................................................................................... 19 2.3.3 Vantagens do processo ............................................................................................. 19 2.3.4 Desvantagens do processo........................................................................................ 20 2.4 CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE FUNDIO.......................................... 20

3

FUNDIO EM AREIA ................................................................................................. 22 3.1 CARACTERSTICAS DOS MOLDES PARA FUNDIO EM AREIA ................. 22 3.2 CARACTERSTICAS DAS AREIAS DE FUNDIO ............................................. 23 3.3 MATERIAIS UTILIZADOS PARA A MISTURA DAS AREIAS DE FUNDIO .. 23 3.3.1 Elemento refratrio.................................................................................................. 23 3.3.2 Elemento aglomerante ............................................................................................. 24

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3.4 VARIANTES DOS PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA ............................... 25 3.5 FUNDIO EM AREIA VERDE ............................................................................... 25 3.5.1 Etapas da moldagem em areia verde....................................................................... 26 3.5.2 Vantagens ................................................................................................................. 28 3.5.3 Desvantagens............................................................................................................ 28 3.6 FUNDIO EM AREIA SECA (ESTUFADA) .......................................................... 29 3.7 FUNDIO EM AREIA COM CIMENTO ............................................................... 29 3.8 PROCESSO CO2 ......................................................................................................... 30

4

PROCESSOS DE FUNDIO DE PRECISO ............................................................ 31 4.1 FUNDIO EM CASCA ............................................................................................ 31 4.1.1 Vantagens ................................................................................................................. 32 4.1.2 Desvantagens............................................................................................................ 32 4.2 PROCESSO CERA PERDIDA (PROCESSO DE INVESTIMENTO) ................. 33 4.2.1 Vantagens ................................................................................................................. 34 4.2.2 Desvantagens............................................................................................................ 34

5

FUNDIO EM GESSO ................................................................................................ 35

6

FUNDIO EM CERMICA........................................................................................ 36

7

MOLDAGEM PLENA .................................................................................................... 37 7.1 VANTAGENS............................................................................................................... 37 7.2 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 37

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8

FUNDIO EM MOLDES PERMANENTES (COQUILHAS) ................................... 38 8.1 VANTAGENS............................................................................................................... 39 8.2 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 39

9

FUNDIO SOB PRESSO .......................................................................................... 41 9.1 FUNDIO SOB PRESSO EM CMARA QUENTE ........................................... 42 9.2 FUNDIO SOB PRESSO EM CMARA FRIA .................................................. 43 9.3 VANTAGENS............................................................................................................... 43 9.4 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 44

10

FUNDIO POR CENTRIFUGAO ..................................................................... 45

11

FUNDIO CONTNUA (LINGOTAMENTO CONTNUO)...................................... 47

12

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 49

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1 INTRODUO ENGENHARIA DE FABRICAO

1.1

INTRODUO

Um novo produto surge de uma necessidade do mercado. A fabricao deste produto deve obedecer a um projeto que leve em conta todas as caractersticas do produto e as condies s quais ser submetido:

PRODUTO

PROJETO

Dimensionamento; Verificao de esforos; Desgaste; Vida til; Etc.

Um bom projeto de produto no o suficiente. Outros fatores igualmente importantes devem ser observados:

Intercambiabilidade

entre

peas

e

componentes:

confere

confiabilidade ao produto para consumo em larga escala. Esta condio pode ser atingida ainda em fase de projeto (tolerncias de ajuste, especificaes de desvios, acmulo de tolerncias).

Qualidade: deve ser mantida constante ao longo dos lotes produzidos. Custo final: deve ser o menor possvel.

Estes so os pr-requisitos para que o produto seja competitivo. Os dois ltimos fatores (qualidade e custo) s podem ser manipulados aps o projeto ser liberado para a produo. Entre o projeto do produto e sua produo, encontra-se uma metodologia dePROCESSOS DE FABRICAO III

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anlise e tratamento tecnolgico destes dois ltimos fatores (qualidade e custo): a Engenharia de Fabricao. O diagrama da Figura 2 mostra onde a Engenharia de Fabricao est inserida dentro do ciclo produtivo.

Sugestes para alterao Estudos econmicos Alternativasdo projeto

Sugestes Problemas Processos de

Desenhos Especificaes MARKETINGENGENHARIA DE PRODUTO ENGENHARIA DE FABRICAO

Tempos Mtodos Arranjos

fabricao

PRODUO

Alteraes Simplificaes Melhorias dedesempenho

Especificaes

Experincias Capacidades dosprocessos

Normas Alteraes dasespecificaes

CONTROLE DE QUALIDADE

PRODUTO FINAL Qualidade prespecificada

Pesquisas de aceitao Competio de mercado

MERCADO

Figura 2 - Diagrama do ciclo produtivo.

Conhecer os processos de fabricao condio fundamental para o desenvolvimento do ciclo produtivo de um produto.

1.2

DEPARTAMENTOS DE UMA ORGANIZAO Departamentos que desempenham papel fundamental:

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a) Engenharia de produto:

Define dimenses, tolerncias dimensionais e geomtricas, acabamentos, tratamentos, etc.

Testa os prottipos a fim de verificar sua funcionalidade e qualidade.

b) Produo:

Produz quantidades programadas dentro do prazo definido. Deve ser subsidiado com informaes tcnicas de forma a antecipar eventuais problemas.

c) Controle de qualidade:

Assegura que o produto ao final do ciclo de fabricao seja cpia fiel do desenho originado no projeto.

Faz cumprir exigncias dimensionais e especificaes tcnicas.

d) Engenharia de Fabricao:

Elo entre projetar, produzir e controlar a qualidade. Processos de fabricao. Tempos e mtodos. Arranjo fsico.

1.3

PROCESSOS DE FABRICAO Em um sentido estrito, podemos considerar os processos de fabricao mecnica como os processos de modificao de um corpo metlico com o fim de lhe conferir uma forma definida. Tais processos podem ser divididos em dois grupos:

a) Processos mecnicos: as modificaes de forma so causadas pela aplicao de tenses externas. Se as tenses aplicadas forem menores que a tenso de ruptura do material, temos processos de conformao plstica, caso contrrio, temosPROCESSOS DE FABRICAO III

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processos de usinagem (Figura 3). b) Processos metalrgicos: as modificaes de forma so causadas por altas temperaturas. Se as temperaturas aplicadas forem menores que a temperatura de fuso do material, temos processos de sinterizao, caso contrrio, temos processos de fuso / solidificao (Figura 3).

Processos de conformao dos metais

Processos mecnicos ()

Processos metalrgicos (T)

Conformao plstica ( < r)Ex: forjamento, estiramento.

Usinagem ( > r)Ex: torneamento, fresagem.

Sinterizao (T < Tf)Ex: metalurgia do p.

Fuso / solidificao (T > Tf)Ex: fundio, soldagem.

Figura 3 - Organograma dos processos de fabricao.

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2 FUNDIO

Fundio o processo de fabricao de peas metlicas que consiste basicamente no preenchimento de moldes (com as dimenses e formato da pea desejada) com metal em estado lquido (Figura 4).

Figura 4 - Preenchimento de um molde de fundio com metal em estado lquido.

A fundio pode ser considerada como um processo inicial, pois pode-se obter (alm de peas praticamente acabadas) lingotes, tarugos e placas, os quais so conformados mecanicamente para a obteno de perfis, chapas, laminados, etc. O processo de fundio conhecido pelo homem desde aproximadamente 3.000 AC. Os primeiros metais a serem fundidos foram o cobre e o bronze. O desenvolvimento de fornos de fundio com temperaturas de trabalho mais altas e utenslios capazes de conter o ferro fundido permitiu que as primeiras fundies de ferro fundido se desenvolvessem a partir de 1.340 D.C. Atualmente os processos de fundio buscam o controle das propriedades e microestruturas das ligas.

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2.1

FENMENOS QUE OCORREM NA SOLIDIFICAO DOS METAIS So os seguintes os fenmenos que ocorrem durante a solidificao dos metais.

Cristalizao; Contrao de volume; Concentrao de impurezas; Desprendimento de gases.

Estes fenmenos tendem a influir negativamente no processo de fundio, e so comuns a todas as variantes dos processos de fundio, em maior ou menor grau.

2.1.1 Cristalizao Durante a solidificao dos metais h o surgimento de estruturas cristalinas sendo que o crescimento destas estruturas se d de maneira no uniforme. O crescimento das estruturas num processo de fundio limitado e influenciado pelas paredes dos moldes. Como as paredes dos moldes esto a uma temperatura inferior do metal fundido, surge no interior do molde preenchido com metal fundido um gradiente de temperatura que favorece o crescimento das estruturas em uma direo perpendicular s paredes do molde (crescimento dendrtico - Figura 5 e Figura 6).

Figura 5 - Crescimento de uma dendrita.

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Figura 6 Dentritas em um lingote de ao.

Em moldes com cantos vivos1, o crescimento de grupos colunares de cristais em paredes contguas pode ocasionar o surgimento de planos diagonais, comprometendo as propriedades mecnicas da pea. Em geral, as peas tendem a ser mais frgeis na regio destes planos, a qual mais suscetvel a fissuras e trincas (Figura 7).

(a)

(b)

Figura 7 - Efeito dos cantos na cristalizao: (a) Paredes com cantos arredondados. (b) Paredes com cantos vivos, evidenciando o surgimento de planos diagonais.

2.1.2 Contrao de volume Pode ser de trs tipos:

Contrao lquida: causada pelo aumento da densidade medida que o metal lquido resfriado;

Contrao de solidificao: causada pela cristalizao durante a solidificao;

1

Pontos onde no existe uma tangente definida.

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Contrao slida: causada pelo resfriamento do metal solidificado, desde a temperatura de solidificao at a temperatura ambiente.

A contrao expressa em porcentagem de volume ou, no caso da contrao slida, em porcentagem de contrao linear, a qual depende do material (ver Tabela 1).Tabela 1 - Porcentagem de contrao linear para alguns materiais metlicos:

Material Ao (0,35%C) Alumnio Cobre Estanho Ferro fundido branco Ferro fundido cinzento Ferro fundido malevel Magnsio Zinco

%Contrao linear 2,4 5,7 7,3 1,5 1,3 ~1,4 1,0 1,2 ~1,3 5,8 4,1

A contrao d origem a um defeito conhecido como vazio ou rechupe, causado pela contrao que se inicia na periferia do molde (temperatura mais baixa) e avana at o centro (temperatura mais alta), o qual se solidifica por ltimo (Figura 8).

Figura 8 - Formao do rechupe em um lingote fundido.

Outros efeitos indesejveis da contrao volumtrica:

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Surgimento de trincas; Tenses residuais; Alteraes nas dimenses das peas.

O controle destes efeitos obtido com o adequado projeto das peas ou tratamentos trmicos para alvio de tenses (Figura 9).

Figura 9 Exemplo de trincas a quente causadas pela contrao volumtrica.

Os vazios ou rechupes podem ser eliminados atravs do provimento de metal fundido s peas ou lingotes atravs de massalotes (Figura 10) ou alimentadores (Figura 11).

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Figura 10 - Uso do massalote para preveno do rechupe em um lingote.

Figura 11 - Uso do alimentador para preveno do rechupe em uma pea fundida.

2.1.3 Concentrao de impurezas Nos processos de fundio, os metais (ou suas ligas) vazados nos moldes possuem impurezas, as quais no puderam ser completamente eliminadas. Observe-se, por exemplo, as impurezas presentes em uma liga de ferro-carbono: Impurezas:

Fsforo (P); Enxofre (S); Mangans (Mn); Silcio (Si).

Ligas de Fe-C

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Como algumas impurezas so menos solveis no estado slido, durante a solidificao estas acompanham o metal lquido, buscando maiores regies de maiores temperaturas (onde so mais solveis), acumulando-se desta forma na ltima parte a se solidificar (Figura 12). A concentrao de impurezas nestas regies constitui num defeito conhecido como segregao. A principal conseqncia da segregao a heterogeneidade na composio do material, conforme a seo considerada, com conseqentes alteraes nas suas propriedades mecnicas.

Figura 12 - Segregao de impurezas em um cilindro fundido

A segregao pode ser atenuada com o controle rigoroso da composio qumica das ligas ou o controle da velocidade de resfriamento.

2.1.4 Desprendimento de gases

Ocorre principalmente nas ligas de ferro-carbono, onde o oxignio dissolvido no metal tende a combinar-se com o carbono, formando CO (monxido de carbono) e CO2 (dixido de carbono). Durante a solidificao estes gases ficam retidos no interior das peas, na forma de bolhas. Estas bolhas tambm podem chegar superfcie da pea, causando imperfeies no acabamento das peas. As bolhas podem ser evitadas com a adio de elementos desoxidantes (Si,PROCESSOS DE FABRICAO III

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Mn, Al) ao metal lquido. Ao combinar-se com o oxignio, estes elementos formaro xidos, os quais se precipitaro (SiO2 , MnO2 , Al2O3 ). A rigor, as bolhas no constituem maior problema nos aos de baixo carbono, se aps a fundio os mesmos forem submetidos a processos de laminao. Durante a deformao causada por tais processos, as paredes das bolhas acabam por unir-se por um processo semelhante aos processos de soldagem (caldeamento). Porm, em aos de alto carbono, os quais possuem baixa soldabilidade, as bolhas devem ser evitadas. Alm do oxignio, tambm o hidrognio (H2) e o nitrognio (N2) podem ser liberados durante a solidificao, causando porosidades, fissuras internas e alteraes nas caractersticas mecnicas do material.

2.2

ETAPAS DA FUNDIO

Ligas ferrosas

Ao Ferro fundido

Fundidos

Ligas no ferrosas

Matrias primas para a fundio

Ligas de Cu Ligas de Al Ligas de Zn Ligas de Mg Etc

Moldes e modelos

Madeiras Areias Ligas metlicas Ceras Materiais cermicos Polmeros Etc

Genericamente, pode-se resumir o processo de fundio s seguintes etapas:

a) Confeco do modelo: com o formato da pea a ser fundida, servir para a construo do molde. Suas dimenses devem prever a contrao do metal e oPROCESSOS DE FABRICAO III

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sobremetal para posterior usinagem, se for o caso.

Materiais utilizados na confeco do modelo

Madeira Alumnio Ao Resina Cera Isopor Etc

b) Confeco do molde: dispositivo que recebe o metal fundido para a obteno da pea. Consiste basicamente de uma cavidade deixada em um material pelo modelo da pea a ser fundida.

Materiais utilizados na confeco do molde

Areia Cermicas Ligas metlicas Gesso Cimento Etc

c) Confeco dos machos: dispositivos com a funo de formar vazios, furos e reentrncias na pea. So colocados nos moldes antes de seu fechamento para receber o metal lquido. d) Fuso do metal: para vazamento nos moldes. e) Vazamento: enchimento do molde com o metal lquido. f) Desmoldagem: retirada da pea do molde aps a solidificao do metal. g) Rebarbao: retirada dos canais de alimentao, alimentadores, massalotes ou rebarbas existentes. h) Limpeza: pode ser necessria para eliminao de resduos, dependendo do processo.

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2.3

CARACTERSTICAS DOS PROCESSOS DE FUNDIO

2.3.1

Caractersticas das peas fundidas Acrscimo de sobremetal para posterior usinagem; Furos pequenos, reentrncias e detalhes no so, em geral, reproduzidos

satisfatoriamente (dificultam o processo), sendo obtidos posteriormente por usinagem; Arredondamento de cantos para facilitar o preenchimento do molde e

evitar trincas.

2.3.2

Defeitos comuns no processo Incluso de gros de areia do molde nas paredes da pea (no caso da

fundio em moldes de areia) abrasivos, causam defeitos na pea submetida a posterior usinagem alm de reduzir a vida til das ferramentas de corte; Vazios ou rechupes; Porosidade devido ao desprendimento de gases, comprometendo as

caractersticas mecnicas ou o acabamento superficial.

2.3.3

Vantagens do processo Em geral, os processos de fundio envolvem custos baixos; As peas podem apresentar desde formas mais simples at as mais

complexas, at mesmo impossveis de serem obtidas por outros processos; As peas podem apresentar dimenses ilimitadas; O processo permite alto grau de automatizao, adequando-se produo

em srie;

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FAT/UERJ Podem ser reproduzidas peas com diversos padres de acabamento e

tolerncia.

2.3.4

Desvantagens do processo Em geral, limitado quanto ao grau de acabamento; Peas com menores limites de resistncia mecnica quando comparadas s

peas produzidas por outros processos, devido ao resfriamento lento do metal fundido nos moldes, o que propicia o surgimento de estruturas com granulao grosseira; Necessidade de sempre se possuir um molde, o que pode ser desvantajoso

no caso de moldes destrutveis, j que implica na confeco de um molde para cada pea a ser produzida, tornando oneroso um volume de produo mais elevado; Equipamentos de grande porte so necessrios; Alto consumo de energia.

2.4

CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE FUNDIO

A qualidade de peas fundidas (tolerncias dimensionais, acabamentos, etc) est diretamente relacionada qualidade do molde utilizado. Partindo-se deste princpio, pode-se classificar os processos de fundio em relao aos moldes utilizados, conforme o organograma mostrado na Figura 13.

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Classificao dos processos de fundio quanto ao moldesMoldes destrutveis Modelo destrutvel Modelo permanenteFundio em areia Fundio em casca Moldagem plena Fundio em gesso Fundio em cermica

Moldes permanentesCoquilhas

Processo cera perdida

Fundio sob presso Fundio por centrifugao Lingotamento contnuo

Figura 13 Organograma representando a classificao dos processos de fundio.

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3 FUNDIO EM AREIA

O processo de fundio em areia consiste basicamente na compactao, mecnica ou manual, de uma mistura refratria plstica (areia de fundio) sobre um modelo montado em uma caixa de moldar (Figura 14). A areia de fundio consiste de uma mistura de um elemento refratrio granular (areia) com um elemento aglomerante.

Figura 14- Molde para fundio em areia.

3.1

CARACTERSTICAS DOS MOLDES PARA FUNDIO EM AREIA

A fim de assegurar a qualidade das peas fundidas, algumas caractersticas do molde devem ser observadas: a) resistncia: para suportar a presso do metal lquido e a ao erosiva deste durante o escoamento nos canais e cavidades de molde; b) mnima gerao de gs: a fim de evitar a contaminao do metal; c) permeabilidade: para possibilitar a sada dos gases gerados durante o processo de solidificao; d) refratariedade: para suportar as altas temperaturas de fuso do metal; e) desmoldabilidade: o molde deve permitir que a pea solidificada seja desmoldada com relativa facilidade;PROCESSOS DE FABRICAO III

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f) estabilidade dimensional: deve ser alta o suficiente para no interferir nas tolerncias dimensionais da pea; g) colapsabilidade: os machos devem colapsar sob as tenses causadas pela contrao volumtrica do metal durante a solidificao, de forma a evitar trincas e o surgimento de tenses internas nas peas fundidas.

3.2

CARACTERSTICAS DAS AREIAS DE FUNDIO

Se a qualidade dos moldes dependem das caractersticas observadas no item anterior, estas dependem das caractersticas das areais de fundio. a) resistncia: a qual depende principalmente do elemento aglomerante utilizado para manter as partculas do material refratrio coesas; b) permeabilidade: passagem dos gases; c) refratariedade: a areia moldada deve ser capaz de resistir s altas temperaturas de fuso dos metais sem que os gros se fundam ou que o elemento aglomerante perca sua capacidade de manter as partculas coesas; d) teor de umidade: o qual afeta a permeabilidade (maior umidade, menor permeabilidade), a resistncia (maior umidade, menor resistncia) e a formao de gases (maior umidade, maior gerao de gases); e) fluidez: a qual afeta a moldabilidade, ou seja, a capacidade de fluncia para o preenchimento de cavidades, reentrncia e detalhes.

3.3

MATERIAIS FUNDIO 3.3.1

UTILIZADOS

PARA A MISTURA DAS AREIAS

DE

Elemento refratrio Geralmente utilizam-se areias silicosas, podendo ser:

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a) areias naturais: areia lavada (retirada de rios) ou saibro; b) areias semi-sintticas: mistura de areias naturais e aditivos para a correo das propriedades; c) areias sintticas: a granulao e a composio so controladas para otimizao das propriedades.

Quanto ao uso, as areias podem ser:

a) de enchimento: com granulometria mais grosseira e de menor custo, utilizado no enchimento das caixas de moldar; b) de faceamento: de granulometria mais refinada e de maior custo, ficam em contato com as faces do modelo de modo a propiciar um melhor acabamento; c) de macho: utilizadas na confeco dos machos.

3.3.2

Elemento aglomerante

Ir conferir coeso s partculas do elemento refratrio de forma a conferir resistncia mecnica ao molde. Podem ser orgnicos, inorgnicos ou minerais.

a) minerais: argilas ou cimentos; b) orgnicos: leos secativos2 e semi-secativos (leos de linhaa, milho, oiticica, mamona), farinhas de cereais (dextrina3, mogul4) e resinas (breu); c) inorgnicos: bentonita.

leos que possuem a capacidade de polimerizar-se sob determinadas condies. Derivado do milho, confere grande resistncia ao molde. 4 Derivado do amido de milho.3

2

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3.4

VARIANTES DOS PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA

Dependendo dos processos de conformao dos moldes e os materiais utilizados, os processos em areia apresentam as seguintes variantes:

a) fundio em areia verde; b) fundio em areia seca (ou estufada); c) fundio em areia com cimento; d) processo CO2.

3.5

FUNDIO EM AREIA VERDE

Dentre os processos de fundio o mais simples e o de menor custo, sendo tambm o mais utilizado. A areia de fundio composta de uma mistura de aproximadamente 75% de areia silicosa, 20% de argila e 5% de gua (composio mdia varia conforme o tipo de areia e da argila utilizada). A mistura recebe o nome de areia verde porque mantm sua umidade original, no sendo necessria sua secagem em estufas. Os componentes da areia de fundio so misturados secos com o auxlio de misturadores, seguindo-se da adio, aos poucos, de gua at a completa homogeneizao da mistura. A moldagem realizada manualmente, com soquetes, ou mecanicamente, com auxlio de mquinas de compresso, impacto, vibrao ou projeo centrfuga. A areia utilizada pode ser reaproveitada, chegando-se a obter ndices de recuperao da ordem de 98%. Os moldes em areia verde se prestam fundio de metais ferrosos e noferrosos com rapidez e economia, adequando-se produo em srie.

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3.5.1

Etapas da moldagem em areia verde

a) O modelo da pea executado de acordo com o projeto da pea, prevendo-se a contrao volumtrica, o sobremetal e os alimentadores (Figura 15).Projeto da pea a ser fundida

Linha de seco Posicionadores do macho

Parte superior do modelo

Modelo da pea

Parte inferior do modelo

Figura 15 - Projetos da pea e do modelo.

b) Os machos, se necessrios, so confeccionados em moldes apropriados. c) A parte inferior do modelo colocada no fundo da caixa de moldar sobre uma superfcie plana. O modelo coberto com talco ou grafite para evitar a aderncia da areia, a qual deve preencher toda a caixa, sendo compactada manual ou mecanicamente (Figura 16).Parte inferior do modelo Areia compactada

Figura 16 - Confeco da parte inferior do molde.

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d) A parte inferior do molde virada de modo que a cavidade fique para cima (Figura 17).

Figura 17 - Parte inferior do molde pronta.

e) Os procedimentos dos itens c e d so repetidos para a parte superior do molde, desta vez com a incluso do alimentador e do canal de descida do metal lquido (Figura 18).Alimentador

Canal de descida

Figura 18 - Confeco da parte superior do molde.

f) Abrem-se as bacias do canal de alimentao e do alimentador (Figura 19).Bacia do canal de descida Bacia do alimentador

Figura 19 - Abertura das bacias do canal de alimentao e alimentador.

g) Abrem-se os canais de distribuio na parte inferior do molde (Figura 20).Canal de distribuio

Figura 20 - Parte superior do molde pronta. PROCESSOS DE FABRICAO III

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h) As partes superior e inferior do molde so unidas por presilhas ou grampos, com o macho posicionado nos fixadores. O molde est pronto para receber o metal lquido (Figura 21).

Macho posicionado Canal de descida Alimentador Parte superior do molde

Aba de fixao das presilhas ou grampos Canal de distribuio

Parte inferior do molde

Figura 21 - Molde pronto para o vazamento do metal fundido.

3.5.2

Vantagens a) Baixo custo; b) no requer o uso de equipamentos especiais; c) areias naturais ou sintticas podem ser utilizadas, com o mnimo acrscimo de aditivos; d) a areia pode ser recuperada; e) fcil desmoldagem.

3.5.3

Desvantagens a) Limitado para grandes peas devido s limitaes de resistncia mecnica do molde; b) acabamento superficial limitado; c) limitado quanto s tolerncias dimensionais; d) incrustaes de areia na superfcie das peas.

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3.6

FUNDIO EM AREIA SECA (ESTUFADA)

Este processo semelhante ao processo em areia verde, com a diferena que a areia de fundio, neste caso, composta por uma mistura de areias sintticas ou semisintticas e aglomerantes orgnicos ou inorgnicos. O processo de conformao dos moldes idntico ao processo em areia verde. Os moldes depois de conformados so secos em estufas a temperaturas entre 150C e 300C, ou queimados com maaricos de forma a consolidar a resistncia mecnica do molde. A superfcie do molde que ir entrar em contato com o metal fundido pode, eventualmente, ser protegida com tinta refratria para um melhor acabamento. Devido maior resistncia mecnica dos moldes, este processo adequado fundio de peas de grandes dimenses e peso elevado. Os moldes em areia seca permitem ainda um melhor acabamento superficial, alm de serem mais permeveis que os moldes em areia verde, devido ausncia umidade residual. O processo de secagem produz ainda moldes com melhor estabilidade dimensional, proporcionando a obteno de peas com melhores tolerncias. Ao contrrio do processo com areia verde, a areia neste caso no reutilizvel.

3.7

FUNDIO EM AREIA COM CIMENTO

Neste processo a areia de fundio consiste em uma mistura de areia silicosa, cimento portland e gua. Os moldes feitos com esta mistura passam por um processo de secagem sem que seja necessria a utilizao de fornos ou estufas (o calor liberado pela reao exotrmica do cimento e gua o suficiente para a secagem do molde). O molde resultante apresenta elevada resistncia mecnica, prestando-se PROCESSOS DE FABRICAO III

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fundio de peas grandes e pesadas. Entretanto, devido natureza do aglomerante, a desmoldagem dificultada, alm do que a areia no reutilizvel. Pode-se citar ainda como desvantagem o custo da mistura, o qual relativamente maior comparando-se aos outros processos de fundio em areia.

3.8

PROCESSO CO2

Neste processo, a areia aglomerada com silicato de sdio (2,5% a 6,0% em peso). Aps a moldagem, o molde submetido a um tratamento com CO2, fazendo com que o silicato de sdio transforme-se em slica-gel, conferindo grande resistncia ao molde e reduzindo o teor de umidade residual, j que este um material higroscpico.

silicato de sdio

O processo permite a confeco de peas com preciso dimensional superiores peas produzidas atravs do processo com areia seca , produo rpida de moldes com alta resistncia sem a necessidade de estufas, prestando-se produo de peas com quaisquer dimenses. Entre as desvantagens, pode-se citar o custo relativamente elevado do CO2 e do silicato de sdio, alm da impossibilidade da reutilizao da areia. Devido ao elevado custo do processo, pode-se utilizar o processo CO2 apenas no faceamento da pea.

PROCESSOS DE FABRICAO III

Na2SiO3 + H2O + CO2

Na2CO3 + SiO2.H2Oslica-gel

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4 PROCESSOS DE FUNDIO DE PRECISO

4.1

FUNDIO EM CASCA

Neste processo, o molde confeccionado a partir de uma mistura de areia com uma resina termofixa polimerizvel a quente, na proporo de 3% a 10% em peso. O modelo confeccionado em material metlico envolvido pela mistura e aquecido entre 177C e 260C de forma a polimerizar a resina. O conjunto molde + modelo levado a uma estufa para o processo de cura a cerca de 350C. (Figura 22).

Figura 22 - Processo de confeco do molde para fundio em casca: (1) modelo coberto com areia + resina, (2) aquecimento, (3) retirada do excesso de areia no polimerizada, (4) cura do molde, (5) extrao do modelo do molde.

O resultado uma casca fina e rgida com o formato do modelo (Figura 23). Dependendo do tempo de aquecimento do modelo (de 15 a 60 segundos) pode-se obter cascas com espessuras de 5mm a 10mm.

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Figura 23 - Duas metades de um molde produzido para o processo de fundio em casca.

A outra metade do molde executada de modo semelhante, sendo as duas partes coladas de forma a se obter o molde final. No caso da necessidade de utilizao de machos, as duas partes (com os machos posicionados) so fechadas com grampos ou colados aps o correto posicionamento dos machos.

4.1.1

Vantagens a) Boa preciso dimensional devido alta rigidez da casca; b) Devido pequena espessura da casca, pode-se empregar areia com granulometria refinada (melhor acabamento) sem prejuzo da permeabilidade.

4.1.2

Desvantagens a) Custo maior do modelo, o qual deve ser metlico (geralmente alumnio ou ferro fundido) e isento de defeitos superficiais; b) Custo elevado da mistura areia + resina; c) Dimenses das peas so limitadas quando comparadas s produzidas por fundio em areia; d) A mistura da areia de fundio de difcil manuseio e armazenamento.

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4.2

PROCESSO CERA PERDIDA (PROCESSO DE INVESTIMENTO)

Neste processo os modelos so confeccionados em cera ou termoplstico atravs da injeo destes materiais em matrizes prprias. Os modelos so ento montados ao redor de um canal central (confeccionado com o mesmo material do modelo), formando uma rvore de modelos (Figura 24, Figura 27).Molde para confeco dos modelos Injeo de cera ou termoplstico

Modelo pronto Montagem da rvore de modelos

A rvore de modelos banhada em uma lama refratria (constituda a partir de gesso, p de slica ou p de zircnia) sendo logo aps recoberta por uma camada de areia (Figura 25).

Banho em lama refratria

Cobertura de areia

rvore de modelos pronta

Figura 25 - Confeco do molde.

O molde ento aquecido de forma a consolidar a sua resistncia mecnica e eliminao da umidade. No aquecimento, os modelos e os canais so derretidos e deixam o molde, podendo o material ser posteriormente reaproveitado. Seguem-se ento os processos de vazamento do metal lquido, desmoldagem, corte dos canais,

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rebarbamento e acabamento final (Figura 26).

Aquecimento da rvore de modelos

Metal fundido

Calor

Calor Peas prontas

Cera ou termoplstico derretido

Vazamento

Desmoldagem

Figura 26 - Finalizao do molde, vazamento e peas prontas.

Figura 27 - Modelo em cera ( direita) e peas produzidas ( esquerda).

4.2.1

Vantagens a) Produo em srie de peas com geometrias complexas; b) Acabamento melhor que no processo de fundio em casca.

4.2.2

Desvantagens a) Custo do molde (matriz) para a confeco dos modelos em cera ou termoplstico; b) Relao entre o peso das peas e o peso do canal geralmente baixa.

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5 FUNDIO EM GESSO

A fundio em gesso um processo bastante antigo, utilizado a aproximadamente 4.000 anos pelos chineses, e utiliza-se de moldes em gesso para a fundio de metais no ferrosos. Este processo apresenta bom acabamento e boa preciso dimensional, porm a baixa permeabilidade do gesso dificulta o escape dos gases gerados na solidificao. Em funo desta desvantagem, foram criadas as seguintes variantes do processo: a) Antioch: os moldes em gesso so levados um forno autoclave com vapor a temperatura elevada, de forma a se obter um material poroso. b) Gesso esponjoso: neste processo, a porosidade do material obtida com a adio de detergentes mistura para a reteno de ar.

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6 FUNDIO EM CERMICA

Este processo empregado na fundio de peas que exigem grande preciso dimensional, e utiliza-se de moldes construdos a partir de uma pasta refratria base de p cermico e um aglomerante cataltico (silicato alcalino). Os moldes so executados de forma semelhante aos moldes em areia. As principais variantes do processo de fundio em cermica so o processo shaw e o processo unicast: a) Processo shaw: os moldes so aquecidos para que o lcool presente no catalisador evapore, resultando em uma malha de fissuras finas no molde, tornando-o permevel. b) Processo unicast: o molde submetido um banho qumico, o qual reage com o catalisador e resulta em um material esponjoso e permevel.

Em ambos os casos, os moldes so curados em estufas a temperaturas da ordem de 980C por aproximadamente uma hora, aps o que so montados com o posicionamento dos machos, se necessrios. Os moldes resultantes deste processo possuem alta resistncia e coeficiente de dilatao trmica prximo a zero, possibilitando a fundio de peas de alta preciso.

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7 MOLDAGEM PLENA

Este processo patenteado pela Full Mold Process, Inc, e emprega modelos confeccionados em espuma de poliestireno. Blocos e chapas deste material so cortados e colados com o formato da pea desejada para a confecco do molde. Devido ao baixo peso especfico da espuma de poliestireno (16Kg/m3) podem ser confeccionados modelos de grandes dimenses. O modelo colocado em uma caixa de moldar, a qual preenchida com areia de fundio. No h necessidade da retirada do modelo do interior do molde, pois este vaporiza-se quando o metal fundido vazado no molde.

7.1 VANTAGENS a) Uma quantidade menor de aglomerante necessria na mistura da areia de fundio; b) Furos e reentrncias podem ser reproduzidos no modelo, sem a necessidade de machos, j que no h a necessidade de se retirar o modelo do molde; c) Facilita a reproduo de geometrias complexas.

7.2 DESVANTAGENS a) Gerao de gs e resduos devido vaporizao da espuma de poliestireno, prejudicando o acabamento (geralmente mais grosseiro que em outros processos).

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8 FUNDIO EM MOLDES PERMANENTES (COQUILHAS)

Nos processos com moldes permanentes, o molde (tambm chamado de coquilha) confeccionado em material metlico (ferro fundido, ao e, mais raramente, bronze), sendo que no h necessidade da sua destruio para a retirada da pea fundida (Figura 28).

Figura 28- Molde permanente (coquilha).

A vida til do molde depende do material a ser vazado e da temperatura de vazamento da liga, podendo varia, por exemplo, de 5.000 peas (de ferro fundido) at 1.000.000 peas (de ligas de magnsio e zinco). A alta condutibilidade trmica dos materiais dos moldes permite um resfriamento rpido do fundido, proporcionando o surgimento de granulaes mais refinadas na estrutura da pea fundida, com a conseqente melhora de suas propriedades mecnicas. Por este motivo, peas fabricadas por fundio que necessitem de sees com elevada resistncia mecnica podem ser produzidas atravs de moldes mistos, ou seja, moldes produzidos por outros processos e com sees coquilhadas naquelas regies onde se deseja ter uma resistncia mecnica mais elevada (Figura 29).

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Figura 29 - Molde misto para fundio de um cilindro de laminao. A seo coquilhada apresentar resistncia mecnica maior que nas outras sees.

O vazamento do metal lquido nos moldes permanentes pode se dar por gravidade ou por presso.

8.1 VANTAGENS a) Bom acabamento superficial; b) Estreitas tolerncias dimensionais; c) Melhora nas propriedades mecnicas quando comparadas a outros processos de fundio.

8.2 DESVANTAGENS a) Alto custo do molde; b) Processo limitado a peas de tamanho relativamente pequeno ou mdio; c) Excessivamente oneroso para sries pequenas;PROCESSOS DE FABRICAO III

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d) Nem todas as ligas podem ser fundidas em moldes permanentes (principalmente nos processos de fundio sob presso); e) Peas de geometria complexa dificultam o projeto do molde e a extrao da pea fundida de seu interior.

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9 FUNDIO SOB PRESSO

Nos processos de fundio sob presso, o metal fundido submetido a uma presso de forma a for-lo a penetrar na cavidade do molde (neste caso tambm chamado de matriz). As matrizes so confeccionadas em ao-ferramenta tratado termicamente e so geralmente construdas em duas partes as quais so hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal lquido. O metal bombeado na cavidade da matriz sob uma presso suficiente para o preenchimento total de todas as suas cavidades e reentrncias. A presso mantida at que o metal se solidifique, no que ento a matriz aberta e a pea ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente (Figura 30). As matrizes podem ser refrigeradas a gua para evitar seu superaquecimento, aumentando sua vida til e evitando defeitos nas peas.

Figura 30 - Matriz para fundio sob presso.

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A fundio sob presso automatizada e realizada em equipamentos de cmara quente ou cmara fria.

9.1

FUNDIO SOB PRESSO EM CMARA QUENTE

O processo de fundio sob presso realizado na mquina de cmara quente utiliza um equipamento no qual existe um recipiente aquecido onde o metal lquido est depositado. No seu interior est um pisto hidrulico que, ao descer, fora o metal lquido a entrar em um canal que leva diretamente matriz. A presso exercida pelo pisto faz com que todas as cavidades da matriz sejam preenchidas, formando-se assim a pea. Aps a solidificao do metal, o pisto retorna sua posio inicial, mais metal lquido entra na cmara, por meio de um orifcio, e o processo se reinicia (Figura 31).

Figura 31 - Fundio sob presso em cmara quente.

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9.2

FUNDIO SOB PRESSO EM CMARA FRIA

Temperaturas de fuso mais altas da liga a ser fundida podem causar dano ao sistema de bombeamento (cilindro e pisto). Nestes casos, utiliza-se a mquina de fundio sob presso de cmara fria, empregada principalmente para fundir ligas de alumnio, magnsio e cobre. O princpio de funcionamento desse equipamento o mesmo das mquinas de cmara quente, com a diferena que o forno que contm o metal lquido independente do equipamento, de modo que o sistema de injeo no fica dentro do banho de metal (Figura 32).

Figura 32 - Fundio sob presso em cmara fria.

9.3

VANTAGENS a) Peas com maior resistncia mecnica do que as fundidas em areia; b) Produo de peas com formas mais complexas; c) Tolerncias dimensionais mais estreitas; d) Alta capacidade de produo;

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9.4

DESVANTAGENS a) Limitaes no emprego do processo (utilizado para ligas no-ferrosas, com poucas excees); b) Limitao no peso das peas (raramente superiores a 5 kg.); c) Reteno de ar no interior das matrizes, originando peas incompletas e porosidade na pea fundida; d) Alto custo do equipamento e dos acessrios, limitando o seu emprego a grandes volumes de produo.

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10 FUNDIO POR CENTRIFUGAO

Este processo consiste no vazamento de metal lquido num molde submetido a um movimento de rotao, o qual imprime ao metal lquido uma fora centrfuga a qual projeta o metal lquido de encontro s paredes do molde. Uma das principais aplicaes consiste na fabricao de tubos de ferro fundido para linhas de suprimento de gua. Neste caso, o equipamento empregado consiste de um molde metlilco cilndrico montado sobre roletes de forma a ser submetido a um movimento de rotao. O cilindro envolto por uma camisa dgua, a qual proporciona o seu resfriamento. O metal lquido vazado no interior do molde atravs de uma calha, alimentada por uma panela de fundio. medida em que o metal lquido vazado, o molde em rotao deslocado longitudinalmente em relao calha, fazendo com que o metal lquido sofra a ao da fora centrfuga, sendo projetado de encontro paredes do molde cilndrico at a sua solidificao (Figura 33).

Figura 33 - Produo de tubos atravs da fundio por centrifugao (o macho em areia evita a projeo do metal fundido para fora do molde).

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O processo tambm pode ser aplicado em sistemas verticais para a produo de peas tais como engrenagens, anis, discos, flanges, etc (Figura 34).

Figura 34 - Sistema vertical de fundio por centrifugao.

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11 FUNDIO CONTNUA (LINGOTAMENTO CONTNUO)

Neste processo so fundidas peas longas com seo quadrada, retangular, hexagonal, etc, as quais sero posteriormente processadas por laminao, trefilao, usinagem, etc. O processo consiste, basicamente, no vazamento de metal fundido num cadinho aquecido, sendo que o metal escoa atravs de uma matriz de grafita ou de cobre resfriada gua. A barra, j no estado slido arrastada para frente com o auxlio de cilindros de laminao, com velocidade correspondente velocidade da frente de solidificao do metal. As barras so posteriormente cortadas com auxlio de serras ou chama de oxiacetileno para posterior processamento (Figura 35).

Figura 35 - Processo de fundio contnua.

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Este processo amplamente empregado na indstria siderrgica para a produo de placas, tarugos e barras de ao.

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12 BIBLIOGRAFIA

1. CHIAVERINI, VICENTE Tecnologia Mecnica - Materiais de Construo Mecnica Vol. II 2 Edio Mc Graw Hill, So Paulo, SP Brasil 1986. 2. KALPAKJIAN, S. et al. Manufacturing Engineering and Technology Prentice Hall USA 2000. 3. TORRE, J. Manual de Fundio Hemus, So Paulo, SP Brasil 1975.

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