Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 9-10 – FUNDIÇÃO

Fundamentos da Fundição de Metais◦Fundição é um processo no qual metal

fundido flui pela força da gravidade, ou poração de outra força, num molde em que elesolidifica com a forma da cavidade domolde.

◦O termo fundido é aplicado ao componenteou peça obtido por esse processo. Oprincipio da fundição parece simples: fundiro metal, vertê-lo no molde e deixá-lo resfriare solidificar; no entanto, existem váriosfatores e variáveis que devem serconsiderados para resultar numa operaçãobem-sucedida.

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Fundamentos da Fundição de Metais

◦O processo de fundição inclui a fundição delingotes e a fundição de peças.◦ O termo lingote é usualmente associado com a

indústria metalúrgica primária; ele descreve umfundido de grande porte que possui formasimples com o intuito de ser subsequentementeconformado de maneira mecânica por processoscomo laminação ou forjamento.

◦ A fundição de peças envolve a produção degeometrias mais complexas que são muito maispróximas da forma desejada final da peça ou doproduto.

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Processos de Fundição◦A discussão sobre fundição se inicia

logicamente pelo molde. O molde contém acavidade cuja geometria determina a formada peça fundida. O tamanho e a forma reaisda cavidade devem ser ligeiramentemaiores, de modo a permitir a contraçãoque ocorre no metal durante a solidificaçãoe resfriamento.

◦Moldes são feitos de uma variedade demateriais, incluindo areia, gesso, cerâmica emetal.

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Processos de Fundição◦Num molde aberto o metal liquido é simplesmente vertido atépreencher a cavidade.

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Processos de Fundição◦Num molde fechado um caminho, denominado sistema dealimentação, é previsto para permitir que o metal liquido flua da parteexterna do molde até a cavidade.

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Processos de Fundição◦Uma vez que o fundido se resfriousuficientemente, ele é removido domolde. Dependendo do método defundição e metal empregado, pode sernecessário processamento posterior.Este pode incluir remoção do excessode metal da peça fundida (rebarbação),limpeza da superfície, inspeção doproduto e tratamentos térmicos paramelhorar suas propriedades.

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Processos de Fundição◦Processos de fundição se subdividem emduas grandes categorias, de acordo com otipo de molde empregado: fundição emmoldes perecíveis e fundição em moldespermanentes.

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Processos de Fundição◦Um molde perecível significa que o molde

no qual o metal liquido se solidifica deveser destruído para que se remova a peçafundida. Esses moldes são fabricados comareia, gesso, ou materiais similares, cujaforma é mantida com o uso deaglomerantes de diversos tipos. Fundiçãoem areia é o mais importante exemplo deprocessos com molde perecível, no qual ometal liquido é vazado num molde basede areia. Após o metal solidificar eadquirir resistência o molde precisa sersacrificado para a remoção do fundido.

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Processos de Fundição◦O molde permanente pode serutilizado diversas vezes para produzirmuitos fundidos. Ele é feito em metal(ou, menos comumente, numacerâmica refrataria) que pode resistiras elevadas temperaturas envolvidasnas operações de fundição, Nafundição em moldes permanentes, omolde consiste em duas (ou mais)seções que podem ser abertas parapermitir a remoção da peça acabada.

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Fundição em Moldes de Areia◦Fundição em moldes de areia é, de longe, o processo de fundição maisimportante

◦O molde consiste em duas metades: parte superior e parte inferior.

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Fundição em Moldes de Areia◦A parte superior é a metade de cima do molde, e aparte inferior, a debaixo. Essas duas partes são contidas numa caixa de moldagem,também bipartida. As duas metades do molde são separadas pelalinha de partição.

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Fundição em Moldes de Areia◦Na fundição em areia a cavidade do molde

é formada a partir de um modelo, que éfeito de madeira, metal, plástico, ou outromaterial, e tem a forma da peça que seráfundida.

◦O modelo é geralmente fabricado emtamanho maior para permitir a contraçãodo metal quando ele solidifica e resfria. Aareia empregada na fabricação do molde éúmida e contém um aglomerante paramanter sua forma.

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Fundição em Moldes de Areia◦Adicionalmente, a peça pode tercavidades internas. As superfíciesinternas são obtidas com o uso domacho, um componente colocadodentro do molde para definir ageometria do interior da peça. Nafundição em areia, os machos são emgeral fabricados em areia, emboraoutros materiais possam ser usados,como metais gesso e cerâmicas.

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Fundição em Moldes de Areia◦Num molde de fundição, o sistema de

alimentação compreende o canal, ou redede canais, através dos quais o metal fluido exterior para a cavidade do molde. Osistema de alimentação tipicamenteconsiste num canal de alimentaçãoatravés do qual o metal entra no canal dedistribuição e é conduzido à cavidadeprincipal. No topo do canal um funil devazamento em geral usado paraminimizar respingos e turbulência àmedida que o metal flui no canal dealimentação.

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Fundição em Moldes de Areia◦Adicionalmente ao sistema de

alimentação qualquer fundido que tenhacontração significante requer ummassalote conectado à cavidadeprincipal.

◦O massalote é um reservatorio de metalque serve como uma fonte de metalliquido para o fundido compensar acontração durante a solidificação. Omassalote deve ser projetado pararesfriar após a pesa fundida de forma aatender sua função.

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Aquecimento do Metal◦Fornos de aquecimento de diversos tipos são usados paraaquecer um metal a uma temperatura suficiente para a fundição.

◦A energia térmica requerida é a soma do calor para aumentar atemperatura até a temperatura de fusão mais o calor de fusãopara converte-lo do estado solido ao líquido mais o calor paraque o metal liquido atinja a temperatura adequada aovazamento.

◦H=ρV(Cs(Tf-To)+Hf+Cl(Tv-Tf))

◦Esta equação tem valor conceitual.

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Vazamento do Metal Fundido◦Após a etapa de aquecimento e fusão, o metal

está pronto para o vazamento. A introduçãodo metal fundido no molde, incluindo seufluxo por meio do sistema de canais e nacavidade do molde, é uma etapa critica doprocesso de fundição. Para que essa etapaseja bem-sucedida, o metal deve atingir todasas regiões do molde antes da solidificação.Fatores que afetam a operação de vazamentoincluem temperatura de vazamento,velocidade de vazamento e turbulência.

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Engenharia dos Sistemas de Vazamento◦Existem diversas correlações que governam o fluxo do metallíquido através do sistema de alimentação e dentro do molde.Uma importante correlação é o teorema de Bernoulli, que afirmaque a soma das energias (altura, pressão, cinética e fricção) emquaisquer dois pontos do fluxo metálico é igual. Ele pode serescrito da seguinte forma:

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𝒉𝟏 +𝒑𝟏𝝆+𝑽𝟏𝟐

𝟐𝒈+ 𝒇𝟏 = 𝒉𝟐 +

𝒑𝟐𝝆+𝑽𝟐𝟐

𝟐𝒈+ 𝒇𝟐

Engenharia dos Sistemas de Vazamento◦Se ignorarmos perdas por ficção e assumimos que o sistemapermanece sob pressão atmosférica o tempo todo, então aequação pode ser reduzida a:

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𝒉𝟏 +𝑽𝟏𝟐

𝟐𝒈= 𝒉𝟐 +

𝑽𝟐𝟐

𝟐𝒈

Engenharia dos Sistemas de Vazamento◦Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base.Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a alturanesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal évazado na bacia de vazamento e transborda do canal, suavelocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode sersimplificada:

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𝒉𝟏 =𝑽𝟐𝟐

𝟐𝒈

Engenharia dos Sistemas de Vazamento◦Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base.Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a alturanesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal évazado na bacia de vazamento e transborda do canal, suavelocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode sersimplificada:

◦Que pode ser resolvida para determinar a velocidade do fluxo:

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𝒉𝟏 =𝑽𝟐𝟐

𝟐𝒈

𝑽𝟐 = 𝟐𝒈𝒉

Engenharia dos Sistemas de Vazamento◦ Outra correlação importante durante o vazamento é a lei

da continuidade:◦ Assumindo que o canal de distribuição que vai da base do

canal de alimentação até a cavidade do molde horizontal,a vazão através do canal e dentro da cavidade do moldepermanece igual a VA. Consequentemente, podemosestimar o tempo requerido para encher a cavidade de ummolde de volume V como:

◦ A equação deve fornecer o tempo mínimo. Isto porque aanálise feita ignora perdas por ficção e possível restriçãodo fluxo dentro do sistema de alimentação.

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𝑸 = 𝑽𝟏𝑨𝟏 = 𝑽𝟐𝑨𝟐

𝑻𝒆𝒎 =𝑽

𝑸

Engenharia dos Sistemas de VazamentoExemplo 5.1

◦Um canal de alimentação de um molde tem 20cm decomprimento, e a área da seção transversal na base é igual a2,5cm². O canal alimenta um canal de distribuição horizontal até acavidade do molde cujo volume é 1560cm³. Determine: (a)Velocidade do metal fundido na base do canal, (b) vazão dolíquido, e (c) tempo para encher o molde.

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Solidificação dos Metais◦A solidificação envolve atransformação do metalnovamente para o estadosólido. O processo desolidificação difere se o metalfor um elemento puro ou umaliga.

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Solidificação dos Metais Puros◦Um metal puro solidifica a umatemperatura constante,temperatura de solidificação,que é igual à temperatura defusão. O ponto de fusão demetais puros é bem conhecidoe documentado. O processoocorre ao longo do tempocomo mostrado na figura,denominada curva deresfriamento.

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Solidificação dos Metais Puros◦A solidificação propriamente dita

leva um tempo, chamado tempode solidificação local do fundido,durante o qual o calor latente defusão é liberado para o molde. Otempo de solidificação total é otempo entre o vazamento e o fimda solidificação. Após o fundidoestar totalmente solidificado, oresfriamento continua a uma taxaindicada pela inclinação da curvade resfriamento.

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Solidificação dos Metais Puros◦ O metal que forma a camada inicial foi de modo

rápido resfriado pela extração de calor por meiodas paredes do molde. Esse resfriamento causa aformação de grãos finos e aleatoriamenteorientados na camada solidificada. Com acontinuação do resfriamento, grãos adicionais sãoformados e crescem na direção contrária datransferência de calor. Uma vez que a transferênciade calor ocorre por meio da camada e da parede domolde, os grãos crescem para o interior comoagulhas ou protuberâncias de metal sólido. Essetipo de crescimento é referido como crescimentodendrítico.

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Solidificação dos Ligas Metálicas◦A maioria das ligas solidificanuma faixa de temperatura aoinvés de numa únicatemperatura. Solidificação deuma liga pode ser explicadacom a ajuda do diagrama defases de uma liga particular e acurva de resfriamento parauma determinada composição.

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Solidificação dos Ligas Metálicas◦ O inicio da solidificação é similar ao que ocorre com

o metal puro. Uma fina camada sólida é formada naparede do molde devido ao grande gradiente detemperatura nessa superfície.

◦ Devido diferença entre as temperaturas e liquidus esolidus, a natureza do crescimento dendrítico é talque uma frente de solidificação é formada, na qualmetal solido e metal liquido coexistem, denominadade zona pastosa.

◦ Outro aspecto que complica a solidificação de ligasé que a composição das dentistas em seu início deformação é mais rica nos elementos de mais altatemperatura de fusão.

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Solidificação dos Ligas Metálicas◦No nível macroscópico, a composição

química varia ao longo da peça fundida.Uma vez que regiões do fundido quesolidificam primeiro são mais ricas numdado componente, no momento que asolidificação ocorre na parte central, ometal liquido remanescente estaráempobrecido naquele elemento de liga.Assim, há uma segregação geral ao longoda seção transversal da peça, algumasvezes denominada segregação de lingote.

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Solidificação dos Ligas Metálicas◦Ligas eutéticas constituem uma exceçãoao processo geral pelo qual as ligassolidificam. A liga eutética é umacomposição particular de um sistema deligas no qual temperatura sólidos é igualtemperatura líquidos. Assim, asolidificação ocorre a temperaturaconstante (denominada temperaturaeutética) em vez de se dar num intervalode temperatura.

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Tempo de Solidificação◦O tempo total de solidificação é o tempo

requerido para, após o vazamento, ofundido solidificar. Esse tempo édependente do tamanho e forma dofundido por uma equação empíricaconhecida como Regra de Chvorinov:

◦Onde Tts=tempo total de solidificação, min;V=volume do fundido, cm³; A=áreasuperficial do fundido, cm²; n=exponencial,sendo usualmente utilizado o valor 2; e Cmé a constante do molde.

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𝑻𝑻𝒔 = 𝑪𝒎𝑽

𝑨

𝒏

Tempo de Solidificação◦A Regra de Chvorinov indica que uma peça

fundida com maior razão volume/árearesfriará e solidificará de forma mais lentaque uma peça com menor razão.

◦Esse principio é bastante utilizado noprojeto de massalotes de um molde. Paraatender função de alimentar com metalfundido a cavidade principal do molde, ometal no massalote precisa permanecer noestado liquido mais tempo que a peça.

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𝑻𝑻𝒔 = 𝑪𝒎𝑽

𝑨

𝒏

Contração de Solidificação◦A contração ocorre em três estapas:◦ Contração do líquido durante o resfriamento

antes da solidificação;

◦ Contração durante a transformação de fase dolíquido para o sólido, denominada contração desolidificção;

◦ Contração térmica do fundido solidificadodurante seu resfriamento até a temperaturaambiente.

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Contração de Solidificação◦Na tabela estão apresentados valores de concentração linear típicos dediferentes matérias.◦Fabricantes de modelos levam em cona a contração térmica aoproduzir cavidades de moldes superdimensionadas. O quanto maiordeve ser o molde relativo ao tamanho final do fundido é chamadocompensação do modelo para contração.

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Contração Direcional◦De modo a minimizar os efeitos nocivos da contração, é desejável queas regiões da peça mais distantes do ponto de suprimento do metalliquido solidifiquem primeiro e a solidificação progrida dessas regiõesremotas até o(s) massalote(s).

◦O termo solidificação direcional é utilizado para descrever esse aspectodo processo de solidificação e os métodos pelos quais pode sercontrolado. A desejada solidificação direcional é obtida seguindo aRegra de Chvorinov no projeto do fundido propriamente dito, na suaposição no molde e no projeto do sistema de massalotes quealimentarão a peça.

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Projetos de Massalotes◦Como descrito anteriormente, um massalote, é usado em moldes defundição em areia para alimentar a peça com metal liquido durante asolidificação, de forma a compensar a contração de solidificação.

◦A Regra de Chvorinov pode ser empregada para calcular o tamanho domassalote que satisfaça esse requisito.

◦O massalote representa desperdício de metal, pois será separado dapeça fundida e refundido para fabricar outras peças. É desejável que ovolume de metal no massalote seja o mínimo.

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Projetos de MassalotesExemplo 5.2

◦Um massalote cilíndrico para um molde de fundição em areia deve serprojetado. A peça fundida é uma placa retangular em aço comdimensões 7,5cm X 12,5cm X 2,0cm. Observações prévias indicaramque o tempo total de solidificação para essa peça é de 1,6min. Ocilindro do massalote deverá ter uma razão diâmetro/altura=1.Determine as dimensões do massalote para que Tts deste seja de 2min.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia

◦Quase todas as ligas podem serfundidas em moldes de areia; de fato, éum dos poucos processos que podemser usados com metais de alto ponto defusão, como aços, níquel, e titânio. Suaversatilidade permite fundir peçasvariando em tamanho de pequenas amuito grandes e em quantidadeproduzida, de uma até milhões.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia

◦Fundição em areia, também chamadafundição em molde de areia, consiste emvazar o metal fundido num molde emareia, deixando o metal solidificar, e,depois, quebrar o molde para remover apeça.◦A partir dessa breve descrição, observa-seque a fundição em areia inclui nãosomente as operações de fundiçãopropriamente ditas, mas também aconfecção do modelo e do molde.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦A fundição em areia requer um modelo, umareprodução em tamanho real da peça, comdimensões maiores para considerar a contraçãode solidificação e as tolerâncias para usinagemda peça fundida acabada. Materiaisempregados na confecção de modelos incluemmadeira, plásticos e metais.

◦A seleção de um material apropriado para ummodelo depende, em grande parte, daquantidade total de fundidos a seremproduzidos.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦Existem vários tipos de modelos:◦Modelo sólido (individual): com mesma geometria

da peça, ajustada no tamanho para a contração desolidificação e a usinagem. Embora, seja o modelode mais fácil fabricação, ele não é o de mais fácilemprego na confecção do molde em areia. Com ummodelo individual, a determinação da localização dalinha de partição entre as duas metades do moldepode ser um problema.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦Existem vários tipos de modelos:◦Modelos bipartidos: consistem em duas peças, cujo

plano de separação coincide com a linha departição do molde. Modelos bipartidos sãoapropriados para peças com geometrias complexase quantidades moderadas de produção. A linha departição do molde é predeterminada pelas duasmetades do modelo.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦Existem vários tipos de modelos:◦ Placa-modelo: para a produção de grandes

quantidades, placas-modelo são usadas. Numaprimeira opção, cada metade do modelo éfixada num lado de uma placa de madeira oumetal, e o conjunto pode ser chamado placareversível.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦Os modelos definem a forma externa docomponente fundido. Se o fundido tiversuperfícies internas, um macho seránecessário. Um macho é um modelo emtamanho natural do interior das superfíciesdo componente. Ele é inserido na cavidadedo molde antes do vaza- mento, de talforma que o metal fundido flui e solidificano espaço entre a cavidade do molde e omacho, formando ao mesmo tempo assuperfícies externa e interna.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Modelos e Machos

◦Dependendo da geometria docomponente, o macho podenecessitar de suportes para mantê-lo,durante o vazamento, em posiçãodentro do molde. Esses suportes,denominados chapelins, são fabrica-dos em metal com temperatura defusão maior que a do metal fundido.Por exemplo, chapelins em açopoderiam ser usados na moldagem depeças de ferro fundido. Com ovazamento e a solidificação, oschapelins ficam unidos ao fundido.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Moldes

◦As areias de fundição são constituídas de sílica(SiO2) ou sílica misturada com outros minerais.A areia deve possuir boas propriedadesrefratárias, capacidade para suportar altastemperaturas sem fusão ou outro tipo dedegradação. Outras importantes característicasda areia incluem tamanho de grão, distribuiçãogranulométrica e a forma dos grãos individuais.Grãos finos resultam no melhor acabamentosuperficial da peça fundida, mas grãosgrosseiros são mais permeáveis (para permitir oescape dos gases durante o vazamento).

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Moldes

◦ Na confecção do molde, os grãos de areia sãomantidos unidos por uma mistura de água e argilacomo aglomerante. Uma típica mistura (em volume) é90% areia, 3% água e 7% argila. Outros agentesaglomerantes podem ser usados em substituição àargila, incluindo resinas orgânicas e aglomerantesinorgânicos. Além da areia e do aglomerante, aditivossão algumas vezes adicionados à mistura paramelhorar propriedades como resistência mecânicae/ou permeabilidade do molde.

◦ Para formar a cavidade do molde, o métodotradicional é compactar a areia de moldagem aoredor do modelo para formar ambas as partes(superior e inferior) do molde num contêinerchamado caixa de moldagem.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Moldes

◦ Diversos indicadores são usados para determinar a qualidade do moldeem areia:◦ Resistência mecânica: habilidade do molde para manter sua forma e resistir à

erosão causada pelo fluxo de metal líquido; depende do formato dos grãos e dasqualidades adesivas do aglomerante;

◦ Permeabilidade: capacidade do molde de permitir que o ar quente e os gasesoriundos das operações fundição passem através dos vazios da areia;

◦ Estabilidade térmica: habilidade da camada de areia da superfície do molde deresistir ao trincamento e empenamento após o contato com o metal fundido;

◦ Colapsibilidade: habilidade do molde de desmoronar, permitindo que o fundidose contraia sem a formação de trincas na peça fundida, também se refere àhabilidade de remover a areia do fundido durante as operações de limpeza;

◦ Reutilização: capacidade de reutilizar a areia oriunda do molde destruído.

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Processos de FundiçãoFundição em Areia – Moldes

◦ Moldes em areia são geralmente classificados como:◦ Moldes em areia-verde: são confeccionados com uma mistura de areia, argila e água, e

a palavra verde se refere ao fato de que o molde contém umidade no momento dovazamento. Os moldes em areia-verde possuem resistência mecânica suficiente para amaioria das aplicações, boa colapsibilidade, boa permeabilidade, boa reutilização, e sãoos moldes menos caros.

◦ Moldes em areia-seca: são confeccionados usando aglomerantes orgânicos depreferência à argila, e o molde é estufado num fomo de grande porte a temperaturasvariando de 200 ° C a 320°C (400°F a 600°F). A secagem em estufa aumenta aresistência do molde e endurece superficialmente a cavidade. Um molde em areia-secagarante melhor controle dimensional do produto fundido, comparado com a moldagemem areia-verde. Entretanto, moldagem em areia-seca é mais cara, e a produtividade éreduzida por causa do tempo gasto na secagem.

◦ Molde-seco na superfície: neste caso as vantagens do molde em areia-seca sãoparcialmente atingidas pela secagem da superfície de um molde em areia-verde atéprofundidades de 10 a 25 mm da cavidade do molde, usando maçaricos, lâmpadasaquecedoras ou outros meios.

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Processos de FundiçãoMoldagem em Casca – Shell-Molding

◦Trata-se de um processo defundição no qual o molde éuma casca fina confeccionadoem areia, cujos grãos sãoúmidos com uma resinaaglomerante termofixa.

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Processos de FundiçãoMoldagem em Casca – Shell-Molding

◦O processo shell-molding apresenta váriasvantagens. A superfície da cavidade domolde é menos rugosa que a do molde emareia-verde convencional, e essa baixarugosidade facilita o fluxo de metal líquidodurante o vazamento e o melhoracabamento superficial da peça fundida.Boa acurácia dimensional é tambémalcançada.

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Processos de FundiçãoPoliestireno Expandido

◦ O processo de fundição com poliestireno expandido usa um molde com areiacompactada ao redor de um molde em espuma de poliestireno que é vaporizadaquando o metal fundido é vazado no molde. O modelo em espuma inclui o canalde descida, massalotes e o sistema de canais, e pode também conter machosinternos. Como o modelo em espuma se torna a cavidade do molde,considerações sobre o ângulo de saída e linha de partição também podem serignoradas. O molde não precisa ser aberto em seções.

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Processos de FundiçãoPoliestireno Expandido

◦O molde é em geral recoberto com umcomposto refratário para garantir umasuperfície lisa a fim de melhorar suaresistência a altas temperaturas.

◦Uma vantagem significativa desseprocesso é que o modelo não precisa serremovido do molde. Isto simplifica etorna mais rápida a confecção do molde.

◦O processo tem sido aplicado à produçãoem massa de fundidos para motores deautomóveis, nos quais se emprega umsistema automatizado para a confecçãode modelos de espuma de poliestireno.

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Processos de FundiçãoFundição de Precisão

◦Na fundição de precisão, um modelofeito em cera é recoberto com ummaterial refratário para fabricar omolde, após a cera ser derretidaantes do vazamento do metalfundido. O termo investment vem deuma das menos conhecidasdefinições para a palavra invest, quesignifica recobrir totalmente.

◦É um processo de precisão, pois écapaz de produzir fundidos comelevada acurácia e detalhesintrincados.

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Processos de FundiçãoFundição de Precisão

◦A produção de modelos é usualmenterealizada por uma operação de moldagem,vazamento ou injeção da cera quente numamatriz padrão projetada com as tolerânciasadequadas à contração de ambos: cera e,em seguida, o metal fundido.

◦Em operações de elevada produção, váriosmodelos são fixados num canal, tambémfeito em cera, para formar uma árvore-modelo, esse conjunto é que será fundidono metal.

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Processos de FundiçãoFundição de Precisão

◦As vantagens da fundição de precisão incluem:◦ Peças de grande complexidade e com ramificações podem ser

fundidas;◦ Controle dimensional estreito tolerâncias;◦Bom acabamento superficial;◦ Com frequência, a cera pode ser recuperada e reutilizada;◦Usinagem adicional não é usualmente necessária.

◦Todos os tipos de metais, incluindo aços, aços inoxidáveis eoutras ligas resistentes a altas temperaturas, podem serfundidos por esse processo.

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Processos de FundiçãoFundição por Molde de Gesso e Cerâmico

◦ Fundição em molde de gesso é similar à fundição emareia, exceto que o molde é confeccionado em gesso emvez de areia.

◦ Para confeccionar o molde, a mistura de gesso com águaé vertida sobre um modelo plástico ou metálico que estádentro da caixa e deixada curar.

◦ A consistência fluida permite que a mistura de gesso fluade imediato no entorno do modelo, capturando seusdetalhes e acabamento superficial.

◦ O molde precisa esperar cerca de 20 minutos antes de omodelo ser extraído. O molde é então estufado por váriashoras para remover a umidade. Mesmo com a estufagem,nem toda a umidade do gesso é removida.

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Processos de FundiçãoFundição por Molde de Gesso e Cerâmico

◦Uma das desvantagem do molde em gesso é que ele não épermeável limitando assim a saída dos gases da cavidade domolde. Esse problema pode ser resolvido de vários modos:◦ Evacuando o ar da cavidade do molde antes do vazamento;◦Aerando a lama de gesso antes da confecção do molde, de forma

que o gesso resultante, quando endurecido, contenha vaziosfinamente dispersos;

◦Usando composição e tratamento especiais do molde, conhecidocomo processo Antioch. Esse processo envolve o uso de cerca de50% de areia misturada com o gesso, aquecimento do molde numaautoclave e, então, secagem.

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Processos de FundiçãoFundição por Molde de Gesso e Cerâmico

◦Moldes em gesso não podem ser expostosàs mesmas altas temperaturas que osmoldes em areia. Eles são, portanto,limitados à fundição de ligas com baixo decomo ponto fusão, alumínio, magnésio ealgumas ligas à base de cobre.

◦As vantagens da fundição com molde emgesso para essas aplicações são bonsacabamento superficial, acuráciadimensional e a capacidade de obterfundidos com seções transversais finas.

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Processos de FundiçãoFundição por Molde de Gesso e Cerâmico

◦Fundição em molde cerâmico ésimilar à fundição em gesso,exceto que o molde é fabricadoem materiais cerâmicos refratáriosque podem ser expostos atemperaturas mais elevadas gesso.Dessa forma, moldagem emcerâmica pode ser usada parafundir aços, ferros fundidos eoutras ligas resistentes a altastemperaturas.

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Fundição em Molde Permanente◦A fundição em molde permanente emprega

um molde metálico que é construído emduas seções, que são projetadas paraabertura e fechamento simples e preciso.Esses moldes são comumenteconfeccionados em aço ou ferro fundido.

◦Os metais comumente fundidos em moldepermanente incluem alumínio, magnésio,ligas à base de cobre e ferro fundido.Entretanto, ferro fundido requer elevadatemperatura de vazamento o que impactana vida do molde.

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Fundição em Molde Permanente◦Machos podem ser usados emmoldes permanentes para formar assuperfícies internas do produtofundido. Os machos podem serconfeccionados em metal, mas suaforma deve permitir sua remoção dofundido ou eles devem sermecanicamente colapsáveis parapermitir sua retirada.

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Fundição em Molde Permanente◦Na preparação para a fundição, o

molde é primeiro aquecido, euma ou mais camadas derecobrimento são aspergidas nacavidade. O preaquecimentofacilita o fluxo de metal por meiodo sistema de canais e nacavidade. O recobrimento ajuda adissipação de calor e lubrifica asuperfície do molde para facilitara remoção da peça fundida.

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Fundição em Molde Permanente◦ Vantagens da fundição em molde permanente

incluem bom acabamento superficial e controledimensional estreito. Adicionalmente, asolidificação mais rápida, em consequência docontato do metal com o molde metálico, resultanuma estrutura mais refinada assim sãoproduzidos fundidos com maior resistênciamecânica. O processo é em geral limitado a metaisde baixo ponto de fusão. Outras limitaçõesincluem peças com geometrias mais simplescomparadas com a fundição em areia e o custo domolde. O processo é mais adequado a altosvolumes de produção e, portanto, pode serautomatizado. Peças típicas incluem pistõesautomotivos, carcaças de bombas e certosfundidos para aeronaves e misseis.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Sob Pressão

◦A fundição sob pressão é umprocesso de fundição em moldepermanente no qual o metalfundido é injetado na cavidade domolde sob alta pressão. A pressãoé mantida durante a solidificação,após o molde ser aberto e a peçaremovida.

◦Existem dois tipos principais demáquinas de fundição sob pressão:◦ Câmara quente;◦ Câmara- fria.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Sob Pressão

◦ Em máquinas com câmara quente, ometal é fundido num contêiner anexo àmáquina, e um êmbolo é usado parainjetar o metal liquido sob alta pressãona matriz. Pressões típicas de injeção vãode 7 a 35 MPa. É comum encontrar taxasde produção de até 500 peças por hora.

◦ Esse processo é limitado em suasaplicações a metais de baixo ponto defusão que não ataquem quimicamente oembolo e outros componentesmecânicos. Os metais incluem zinco,estanho, chumbo e, às vezes, magnésio.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Sob Pressão

◦ Em máquinas de fundição sob pressão comcâmara fria, metal fundido é vazado numacâmara não aquecida a partir de umcontêiner externo contendo o metal, e umêmbolo é usado para injetar o metal sobalta pressão na cavidade da matriz.

◦ Pressões de injeção usadas nessasmaquinas vão, tipicamente, de 14 a 140MPa. Comparado às máquinas com câmaraquente, os ciclos são em geral mais longosdevido à necessidade de transferir o metalliquido de uma fonte externa até a câmara.

◦ As máquinas com câmara fria sãotipicamente usadas para fundição dealumínio, latão e ligas de magnésio.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Sob Pressão

◦ Moldes empregados nas operações de fundição sob pressão são usualmenteconfeccionados em aços ferramenta, aço médio-carbono, ou aço maraging.

◦ Os materiais da matriz não têm naturalmente porosidade, desta forma, o metalfundido flui rápido para dentro da matriz durante a injeção, furos e canais deventilação devem ser construídos na linha de partição das matrizes para evacuaro ar e gases da cavidade.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Sob Pressão

◦As vantagens da fundição sob pressão incluem:◦ Possibilidade de elevada taxa de produção;

◦ Economicamente viável para a produção de grandes lotes;

◦ Possibilidade de tolerâncias estreitas;

◦Bom acabamento superficial;

◦ Seções finas são possíveis até cerca de 0,5 mm;

◦Resfriamento rápido gera tamanho de grão pequeno e fundido comboa resistência mecânica.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Centrífuga

◦A centrifugação se refere adiversos métodos de fundiçãonos quais o molde é girado aelevadas velocidades, de modoque a força centrifuga distribui ometal fundido às regiõesperiféricas da cavidade damatriz. Aqui, descreveremos oprocesso usado para peçasfundidas tubulares, denominadofundição centrifuga verdadeira.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Centrífuga

◦ Na fundição centrifuga verdadeira, o metal fundido é vazado num moldegiratório para produzir uma peça tubular. O metal fundido é vazado numa dasextremidades de um molde horizontal giratório. A alta velocidade de rotaçãoresulta em forças centrifugas que fazem com que o metal tome a forma dacavidade do molde. Assim, a forma externa do fundido pode ser esférica,octogonal, hexagonal etc. Entretanto, a forma interna do fundido é (em termosteóricos) perfeitamente esférica devido às forças radiais simétricas.

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Fundição em Molde PermanenteFundição Centrífuga

◦A força centrífuga é definidapela equação física:

◦O Fator-G (FG) é a razão entrea força centrífuga dividida pelopeso:

◦Transformando a velocidadelinear em rotação, temos:

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Fundição em Molde PermanenteFundição Centrífuga

◦Se, na fundição centrifuga verdadeira, o fator- G for muitobaixo, o metal líquido não permanecerá forçado contra omolde durante a metade superior do caminho circular e cairácomo "chuva" no interior da cavidade. Numa base empírica,valores de FG 60 a 80 são considerados apropriados para afundição centrifuga horizontal, embora isto dependa dealguma forma do metal que está sendo fundido.

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Fundição em Molde PermanenteExemplo 6.1

◦Uma operação de fundição centrifuga verdadeira serárealizada horizontalmente para produzir seções de tubos emcobre com De=25 cm e D=22,5 cm. Que velocidade derotação é requerida se um Fator-G de 65 é usado para fundiro tubo?

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Fornos de Fundição◦Os tipos de fornos mais comumente utilizados em

fundições são:◦ Cubilôs;◦ Fornos diretos a combustível;◦ Fomos a cadinho;◦ Fornos elétricos a arco;◦ Fornos de indução.

◦A seleção do tipo de fomo mais apropriadodepende de fatores como a liga fundida; suastemperaturas de fusão e vazamento; capacidadedo forno; custos de investimento, operação emanutenção, e considerações sobre poluiçãoambiental.

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Fornos de FundiçãoCubilôs

◦ O cubilô é um forno cilíndrico vertical equipado comuma bica de vazamento próxima à sua base. Cubilôs sãoempregados apenas para a fusão de ferros fundidos, e,embora outros fornos também possam ser usados, amaior tonelagem de ferro fundido é produzida emcubilôs.

◦ A carga consistindo em ferro, coque, fundente epossíveis elementos de liga, é introduzida pela porta decarregamento localizada abaixo da metade da altura docubilô. O ferro é normalmente uma mistura de ferro-gusa e sucata (incluindo massalotes, canais de descida edemais canais que são removidos de fundidosanteriores). O coque é o combustível usado paraaquecer o forno. Para a combustão do coque, ar forçadoé introduzido pelas aberturas próximas ao fundo dacarcaça.

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Fornos de FundiçãoFornos Diretos a Combustível

◦O forno direto a combustível contémuma pequena soleira aberta, na quala carga metálica é aquecida porqueimadores a combustívellocalizados lateralmente no forno.

◦O combustível típico é o gás natural, eos produtos de combustão saem doforno por uma chaminé. Fornosdiretos a combustível são em geralusados na fusão de metais nãoferrosos como ligas à base de cobre ealumínio.

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Fornos de FundiçãoFornos a Cadinho

◦Esses fornos fundem o metal sem contato direto com amistura combustivel. Por essa razão, eles são algumas vezeschamados fornos indiretos. Três tipos de fornos a cadinhosão empregados em fundição:◦ Cadinho-removível;

◦ Cadinho fixo;

◦ Cadinho-basculante.

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Fornos de FundiçãoFornos a Cadinho

◦ No forno cadinho removível, o cadinho é colocado num forno e aquecido osuficiente para fundir a carga metálica. Óleo e gás, ou carvão pulverizado sãocombustíveis típicos desses fornos. Quando o metal é fundido, o cadinho éremovido do forno e usado como uma panela de vazamento.

◦ No caso do cadinho-fixo, o forno é fixo, e o metal liquido é removido do contêiner.◦ No cadinho-basculante, o conjunto é basculado para o vazamento.◦ Fomos a cadinho (dos três tipos) são usados para fundir metais não ferrosos como

bronze latão e ligas de zinco e de alumínio.

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Fornos de FundiçãoFornos a Arco Elétrico

◦Nesse tipo de forno a carga é fundidapelo calor gerado a partir de um arcoelétrico, que flui entre dois ou trêseletrodos e a carga metálica. O consumode energia é elevado, mas fornos a arcoelétrico podem ser projetados comelevadas capacidades de fusão, e sãousados principalmente para fundir aço.

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Fornos de FundiçãoFornos de Indução

◦O forno de indução utiliza corrente alternadapassando por uma bobina para criar umcampo magnético no metal, e a correnteinduzida resultante causa rápidoaquecimento e fusão do metal. O campo deforça eletromagnética tem sobre o metalliquido uma ação misturadora, que leva àhomogeneização do banho.

◦Fusão de aço, ferro fundido e ligas dealumínio são aplicações comuns na fundição.

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Vazamento, Limpeza e Tratamento Térmico

◦A movimentaçãoo do metal fundido do forno de fusão até omolde é, algumas vezes, feita usando cadinhos. Maisfrequentemente, a transferência é realizada em panelas dediversos tipos.

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Vazamento, Limpeza e Tratamento Térmico

◦Após a solidificação e remoção do fundido do molde, umasérie de etapas adicionais são em geral necessárias. Essasoperações incluem:◦Rebarbação;

◦Remoção do macho;

◦ Limpeza da superfície;

◦ Inspeção;

◦Reparo;

◦ Tratamento.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, há numerosasoportunidades para algo dar errado resultando numproduto fundido com defeitos. Segue alguns destespossíveis defeitos:◦ Falha de preenchimento: aparece em fundidos que solidificam

ante que de a cavidade do molde estar totalmente preenchida.As causas típicas incluiem:◦ Fluidez do metal do insuficiente;◦ Temperatura de vazamento muito baixa;◦ Vazamento feito de forma muito lenta;◦ Seção transversal do fundido muito fina

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, hánumerosas oportunidades para algo darerrado resultando num produto fundidocom defeitos. Segue alguns destespossíveis defeitos:◦Delaminação: ocorre quando duas porções do

metal fluem juntas, mas falta fusão das duasfrentes devido à solidificação prematura. Ascausas são similares às da preenchimento;

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, hánumerosas oportunidades para algo darerrado resultando num produto fundidocom defeitos. Segue alguns destespossíveis defeitos:◦Gotas frias: resultam do respingo durante o

vazamento, causando a formação de grânulossólidos de metal que ficam aprisionados nofundido. Procedimentos de vazamento e projetode sistema de canais que evite os respingospodem evitar esse defeito.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, hánumerosas oportunidades para algo darerrado resultando num produto fundidocom defeitos. Segue alguns destes possíveisdefeitos:◦ Cavidade de contração: é a depressão na

superfície ou um vazio interno no fundido,causado pela contração de solidificação querestringe a quantidade de metal fundidodisponível na última região a se solidificar. Esteproblema é muitas vezes resolvido pelo projetode um massalote adequado.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, hánumerosas oportunidades para algo darerrado resultando num produto fundidocom defeitos. Segue alguns destes possíveisdefeitos:◦Microporosidade: consiste numa rede de

pequenos vazios distribuídos por todo o fundido,causada pela contração que ocorre no fim dasolidificação do metal noas espaços entre aestrutura dendríticas.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Durante a operação de fundição, hánumerosas oportunidades para algo darerrado resultando num produtofundido com defeitos. Segue algunsdestes possíveis defeitos:◦Ruptura a quente: também chamada trinca

a quente, ocorre quando, nos estágios finaisda solidificação ou nos primeiros estágios doresfriamento, a contração do fundido érestringida devido ao molde ser poucodeformável.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Os defeitos presentes prioritariamente em fundiçãoem areia são descritos a seguir:◦ Bolha: é um defeito que consiste numa cavidade de gás

com a forma de um balão, causada pela liberação de gasesdo molde durante o vazamento.

◦ Microporosidade: também causada pela liberação de gasesdurante o vazamento, consiste em diversas e pequenascavidades formadas na superfície da peça, ou logo abaixodela.

◦ Erosão por lavagem: é uma irregularidade na superfície dofundido que resulta da erosão da areia do molde durante ovazamento, e o contorno da erosão será reproduzido nasuperfície da peça.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦ Os defeitos presentes prioritariamente em fundição emareia são descritos a seguir:◦ Crosta de erosão: são áreas rugosas na superfície do fundido

devido a incrustações de areia e metal. Elas são causadas porpequenas porções da superfície do molde que se descamamdurante a solidificação ficam entranhadas na superfície da peça.

◦ Penetração: é um defeito superficial que ocorre quando a fluidezdo metal liquido é alta, penetrando no molde ou no macho emareia. Durante a solidificação, a superfície do fundido consistenuma mistura de grãos de areia e metal. Maior compactação domolde de areia ajuda a reduzir esse defeito.

◦ Deslocamento do molde: se refere ao defeito causado pelamovimentação da parte superior do molde em relação à parteinferior; o resultado é um degrau no fundido na altura da linha departição.

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Qualidade do FundidoDefeitos de Fundição

◦Os defeitos presentes prioritariamente emfundição em areia são descritos a seguir:◦Deslocamento do macho: é similar ao

deslocamento do molde, mas é o macho que semovimenta, e o deslocamento é geralmentevertical. O deslocamento é causado pelatendência do metal de movimentar o macho,dada a sua massa especifica ser menor que a dometal.

◦ Trinca no molde: ocorre quando a resistênciamecânica do molde é insuficiente e uma trincase desenvolve.

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Qualidade do FundidoMétodos de Inspeção

◦Os procedimentos de inspeção na fundição incluem:◦ Inspeção visual para detectar defeitos óbvios como falha de

preenchimento, delaminação e trincas superficiais de tamanho razoável;◦Verificação dimensional para garantir que as tolerâncias foram atingidas;◦ Testes metalúrgicos, químicos, físicos e outros testes relacionados à

qualidade do metal fundido. Testes na categoria incluem: testeshidrostáticos para localizar vazamentos no fundido; métodosradiográficos; testes com partículas magnéticas; uso de líquidosfluorescentes penetrantes e testes supersônicos para detectar os defeitossuperficiais ou internos no fundido; testes mecânicos para determinarpropriedades como resistência à tração e dureza.

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Materiais Para Fundição◦A maioria das peças fundidas comerciais éfabricada em ligas em vez de metaispuros. Ligas são geralmente mais fáceis defundir, e as propriedades do produtoresultante são melhores. Ligas fundidaspodem ser classificadas em ferrosas e nãoferrosas. A categoria de ferrosas ésubdividida em ferro fundido e açofundido.

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Materiais Para FundiçãoFerros Fundidos

◦ O ferro fundido é a mais importante de todasas ligas fundidas. A tonelagem de peças emferro fundido é muitas vezes maior que a detodos os outros metais juntos. Existemdiversos tipos de ferro fundido:◦ Ferro fundido cinzento;◦ Ferro nodular;◦ Ferro fundido branco;◦ Ferro maleável◦ Ferro fundido ligado.

◦ A temperatura típica de vazamento para ferrofundido é em torno de 1400°C, dependendoda composição.

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Materiais Para FundiçãoAços

◦ As propriedades mecânicas do aço o tornam ummaterial de engenharia interessante, e acapacidade de criar geometrias complexas torna aum processo atraente. Entretanto, grandesdificuldades estão presentes na fundiçãoespecializada em aço. Primeiro, o ponto de fusãodo aço é de considerável maior que o da maioriados outros metais usados comumente emfundição. Nessas temperaturas elevadas, o aço émuito reativo quimicamente. Ele se oxida rápido,então procedimentos especiais devem ser usadosdurante a fusão e o vazamento para isolar o metalfundido do ar. Também, o aço tem relativamentebaixa fluidez, e isso limita o projeto de seções finasde componentes fundidos em aço.

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Materiais Para FundiçãoLigas Não Ferrosas

◦ Metais fundidos não ferrosos incluem ligas de alumínio,magnésio, cobre, estanho, zinco, níquel e titânio.

◦ As ligas de alumínio são geralmente consideradas de fácilfundição. O ponto de fusão do alumínio puro é 660°C,assim as temperaturas de vazamento para ligas fundidasde alumínio são baixas, comparadas com o ferro fundido.Suas propriedades as tornam atrativas para fundidos:baixa massa especifica, vasta gama de propriedadesalcançadas por meio de tratamentos térmicos e fácilusinagem.

◦ As ligas de magnésio são as mais leves de todas as ligasfundidas. Outras propriedades incluem resistência àcorrosão, assim como elevadas razões resistência-massaespecifica e rigidez massa-específica.

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Materiais Para FundiçãoLigas Não Ferrosas

◦As ligas de cobre incluem bronze, latão ebronze-alumínio. As propriedades que astornam relevantes são a resistência àcorrosão, boa aparência e boaspropriedades como mancais. O alto custodo cobre é uma limitação ao uso de suasligas. Aplicações incluem conexões paratubos, pás de hélices marinhas,componentes de bombas e joalheriaornamental.

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Materiais Para FundiçãoLigas Não Ferrosas

◦ O estanho tem o menor ponto de fusão dosmetais fundidos. As ligas à base de estanho sãogeralmente fáceis de fundir. Elas têm boaresistência à corrosão, mas baixa resistênciamecânica, o que limita suas aplicações avasilhames e produtos similares que nãonecessitem de elevada resistência.

◦ As ligas de zinco são comumente usadas nafundição sob pressão. O zinco tem baixo ponto defusão e boa fluidez, tornando-o de fácil uso nafundição. Sua principal desvantagem é a baixaresistência à fluência, de modo que o fundido nãopode ser submetido a tensões elevadas por longotempo.

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Materiais Para FundiçãoLigas Não Ferrosas

◦As ligas de níquel têm boas resistência a quente eresistência à corrosão, o que as torna adequadas aaplicações em temperaturas elevadas como emmotores a jato e componentes de foguete,proteção térmica e componentes similares. Essasligas também possuem elevada temperatura defusão e não são fáceis de fundir.

◦As ligas de titânio fundidas são resistentes àcorrosão e possuem elevada razão resistência-massa específica. Entretanto, titânio tem altoponto de fusão, baixa fluidez e propensão a oxidarem temperaturas elevadas. Essas propriedadestornam difícil sua fundição e a de suas ligas.

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Considerações sobre o Projeto do Produto◦Se a fundição for escolhida pelo projetista de produto como o

processo de fabricação principal de um determinadocomponente, então certas diretrizes deverão ser seguidas parafacilitar a produção da peça e evitar os vários defeitos. Algumasdiretrizes e são apresenta:◦ Simplicidade geométrica◦ Cantos.◦ A espessura das seções.◦ Ângulo de saída.◦ Uso de machos;◦ Tolerâncias dimensionais;◦ Acabamento superficial;◦ Tolerâncias para Usinagem.

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