UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO, DE CIÊNCIAS EXATAS E EDUCAÇÃO COORDENADORIA ESPECIAL DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
Marco Aurélio Rosa Jimenes
Estudo de Defeitos de Inclusão em um Processo de Fundição Industrial e a Relação Destes com A Variabilidade dos Insumos
Blumenau 2021
Marco Aurélio Rosa Jimenes
Estudo de Defeitos de Inclusão em um Processo de Fundição Industrial e a Realação Destes com A Variabilidade dos Insumos
Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Coordenadoria Especial de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Eng. Marcio Roberto da Rocha
Blumenau 2021
Marco Aurélio Rosa Jimenes
Estudo de Defeitos de Inclusão em um Processo de Fundição Industrial e a Relação Destes com A Variabilidade dos Insumos
Este Trabalho Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de bacharel em Engenharia de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de
Engenharia de Materiais – Campus Blumenau. Blumenau, 04 de maio de 2021.
________________________ Marco Aurélio Rosa Jimenes
Acadêmico Banca Examinadora:
________________________ Prof. Dr. Marcio Roberto da Rocha
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Dr. Leonardo Ulian Lopes
Avaliador
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Dr. Wanderson Santana da Silva
Avaliador
Este trabalho é dedicado à minha família, a Camila, aos meus amigos de graduação e orientadores.
AGRADECIMENTOS
É extremamente difícil para mim escrever aqui tudo que sinto neste momento, estes agradecimentos jamais vão fazer justiça à todas as pessoas maravilhosas com quem tive o prazer de dividir esta jornada de longos 7 anos até este momento. Para aqueles que não foram citados, deixo meu mais sincero obrigado.
Começo meus agradecimentos com a minha família, sendo meus pais Rogério e Lucimara os verdadeiros grandes heróis desta história, tendo plantado e regado sempre a semente da educação em minha mente e indo muito além do possível para proporcionar a mim a oportunidade de poder estudar e me aperfeiçoar ao longo dos anos. Eles sabem melhor do que ninguém das dificuldades, lágrimas, suor, esforço, comprometimento, sacrifício e garra requeridos. Eu não consigo sentir gratidão maior, e sei que este obrigado que deixo aqui é muito pouco para agradecer por tudo que fizeram. Pai e mãe, muito obrigado.
Não poderia deixar de citar meus irmãos, João e Maria, que viram o caminho que tracei e acompanharam toda essa jornada de perto. Tive o prazer de vê-los crescer neste período também, e me senti sempre muito honrado de poder trilhar este caminho ao lado deles, compartilhando de risadas, brincadeiras e muito companheirismo nestes anos todos. A vocês, muito obrigado.
Reservo aqui um agradecimento especial a minha namorada Camila, a qual tive a oportunidade de conhecer na UFSC, logo no começo desta jornada, e me deu a honra de conhecer seu coração gigante. Juntos, exploramos os estudos, as dificuldades, as alegrias e fomos muito longe, muito longe mesmo. Com certeza a pessoa que sou hoje é pesadamente influenciada pelo seu jeito simples e maravilhoso de ver a vida. A você meu amor, muito obrigado.
Aos mestres, deixo aqui um agradecimento especial pela honra de compartilharem comigo suas experiências, ao mesmo tempo que expandiram exponencialmente minha visão do mundo natural, social e profissional. Cito Márcio, Johnny, Cristiano, Leonardo, João Batista, Wanderson, Cláudio, Cláudia, Larissa, Ismael, Luciana, Fagundes, Lara, Lucas, Novak, Louise, Roger, Éliton, Aldo, Ponce, Marilise e muitos outros com quem tive o prazer de dividir esta jornada. A vocês, meu muito obrigado.
A UFSC Blumenau, minha alma mater, deixo aqui meu mais profundo agradecimento por me proporcionar todas estas experiências, e moldar a pessoa que sou
hoje. Agradeço ao corpo docente, servidores e todos que trabalham por detrás das cortinas para manter a universidade. A vocês, muito obrigado.
Aos meus companheiros de curso, os quais são realmente muitos para citar, deixo meu agradecimento por dividir estes momentos de estudos, alegrias e desafios. Um agradecimento especial ao Centro Acadêmico de Engenharia de Materiais (CAEMA) que ajudei a fundar, a empresa júnior Integre Jr. que tive o prazer de contribuir e ao núcleo de comunicação do campus Blumenau do qual participei com entusiasmo. A vocês, muito obrigado.
Aos meus amigos mais próximos, Douglas, Eli, Pedro, Bruno, Maurício e Lucas, agradeço enormemente pela sabedoria e bons momentos que passamos juntos, é sempre bom saber que há alguém que se importa, e retribuirei as amizades sendo o melhor amigo que posso ser, podem contar comigo. A vocês, muito obrigado.
Não poderia deixar de agradecer aos grandiosos cientistas, eternos diletantes na arte da observação e descoberta, inspirações pessoais que levo comigo, em especial à Marie Curie, Albert Einstein, Leonhard Euler, Richard Feynman e Carl Friedrich Gauss, que me inspiraram a levar sempre adiante meu espírito curioso.
“Julgue um homem por suas perguntas, e não suas respostas” Voltaire
RESUMO
No presente trabalho foram analisados os parâmetros que circundam a presença de um defeito de fundição em uma empresa do ramo metalmecânico que realiza processos de fundição e usinagem, assim como estudadas as relações deste defeito com insumos, porcentual de refugos e outros aspectos do processo produtivo que pudessem se correlacionar com o defeito. Técnicas como MEV, EDS, metalografia e o uso de estatística foram muito relevantes para os levantamentos feitos neste estudo, tendo revelado aspectos antes não descobertos da relação dentre os índices de refugos e a natureza dos insumos utilizados, assim como revelaram a natureza do defeito. Como resultado, foram encontradas correlações de causalidade nos insumos muito promissoras, assim como analisados os custos associados à utilização destes insumos no processo produtivo e seu impacto econômico líquido. Sugeriram-se medidas mitigatórias para a ocorrência dos defeitos, assim como sugestões para estudos futuros que aprofundariam e tornariam mais próxima a solução do problema.
ABSTRACT
In the present study, parameters regarding the presence of an foundry defect at a metalworking industry which performs both foundry and machining processes were analysed. The relationships between the raw materials and other aspects which could correlate to the the defect rencurence frequency were studied. The use of techniques such as MEV, EDX, metallography and statistical analysis were critical to the data collection done in this study, which later revealed undiscovered relationships between the inefficiency of the production process and the raw materials which were being consumed by it. As a result, new causality correlations were identified and their respective cost analysis was conducted. Mitigation measures were suggested, as well as recomendations for future actions to eliminate the problem.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Consumo mundial de materiais ferrosos nos anos 1995, 2000, 2005 e 2010.18
Figura 2 - Diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono...22
Figura 3 – Diagramas ternários de Fe-C-Si, expressos em diversas concentrações de silício...25
Figura 4 – Tipos de grafita encontrados em ferros fundidos...26
Figura 5 – Curva de resfriamento de um Ferro Fundido e suas TEE e TEM...28
Figura 6 – Influencia do cromo e silício nas temperaturas TEE e TEM...29
Figura 7 – Diferentes perfis de superresfriamento...30
Figura 8 - Estruturas granulares em um lingote solidificado...32
Figura 9 – Distribuição granulométrica de areia em teste granulométrico...34
Figura 10 – Rechupes e suas diferentes maneiras de manifestação...39
Figura 11 – Areia sinterizada na superfície de um fundido e seu perfil de rugosidade.. 39
Figura 12 – O fenômeno de veiamento e seus efeitos...40
Figura 13 – Fluxograma dos ensaios metalográficos realizados...44
Figura 14 – Resultado de uma análise de EDS...45
Figura 15 – Uma demonstração da análise PCA e seus resultados...47
Figura 16 – Arranjo de peneiras utilizado para o ensaio...48
Figura 17 – O microscópio utilizado nas análises...50
Figura 18 – Defeito encontrado, apresentado em duas peças fundidas distintas. Sem ampliação...52
Figura 19 – O defeito observado com aumento de 5x...52
Figura 20 –Região do defeito em análise no MEV, destacando as regiões internas do defeito...54
Figura 21 – Resultados a Análise EDS realizada nos defeitos...55
Figura 22 – Inclusões de areia observadas nas peças. Sem aumento...56
Figura 23 – Imagens resultantes da metalografia realizada no defeito, utilização de duas fontes de luz com ângulo de 30º para visualização dos cristais de quartzo (areia). Aumento de 50x...56
Figura 24 – A mesma região, porém com utilização apenas da luz padrão do microscópio. Aumento de 50x...57
Figura 26 – Refugos e suas médias nos períodos anterior e após outubro de 2019. As
médias estão expressas nas linhas vermelhas horizontais...59
Figura 27 – Perfil granulométrico anterior (azul escuro) e posterior (vermelho) a outubro de 2019...60
Figura 28 - – Análise de perfil granulométrico dos meses de 2019...61
Figura 29 – Resultados da Análise PCA realizada...62
Figura 30 – Item com o sobremetal de espessura padrão...65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Faixas de Concentração Típicas de Diferentes ferros fundidos...23 Tabela 2 - Conversão de unidades Mesh para abertura em Milímetros...34 Tabela 3 – Faixas de composição presentes nos itens estudados...51
LISTA DE ABREVIAÇÕES
TEE - Temperatura Eutética Estável TEM - Temperatura Eutética Metaestável PCA – Principal Componenet Analysis MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
EDS/EDX – Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...17 2 OBJETIVOS...20 2.1 Objetivo Principal...20 2.2 Objetivos Específicos...20 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...21 3.1 Ferros fundidos...21
3.1.1 Ferros Fundidos Cinzentos...23
3.1.2 O Fenômeno de Nucleação e Crescimento nos Processos de Fundição...30
3.1.3 A Areia de Fundição...32
3.1.3.1 Granulometria e Permeabilidade...33
3.1.4 O Processo ColdBox...36
3.1.5 Defeitos de Fundição...37
3.1.5.1 Falhas de Formato...37
3.1.5.2 Sinterização de Areia e Veiamento...39
3.1.5.3 Fraturas no Fundido...40
3.1.5.4 Inclusões...41
3.1.5.5 Inclusões de Areia...42
3.1.6 Técnicas de Análise Aplicadas em Produtos Fundidos...43
3.1.6.1 Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia...44
3.1.6.2 A Microscopia Eletrônica de Varredura...45
3.1.6.3 O Método PCA de Análise Estatística...46
4 MATERIAIS E MÉTODOS...47
4.1 Ensaio de Granulometria...48
4.2 Análise metalográfica...49
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES...51
5.1 Apresentação e caracterização do defeito...51
5.1.1 Análises realizadas no defeito e seus resultados...53
5.2 Análise das causas que contribuem para a ocorrência do defeito...57
5.2.1 Hipótese sobre o método de processamento...59
5.2.2 Molde e liga - Interferência dos Insumos Utilizados...60
5.3 Análise de Custos...63
5.4 Sugestões de ação...64
5.4.1 Levantamento do Perfil Granulométrico Ideal...64
5.4.2 O Defeito e Sua Relação com o Sobremetal...64
5.4.3 Estudo do Defeito e sua Localização no Molde...66
6 CONCLUSÃO...67
7 SUGESTÕES PARA TRBALAHOS FUTUROS...68
8 REFERÊNCIAS...68
1 INTRODUÇÃO
Os materiais metálicos são essenciais para o funcionamento da sociedade como a conhecemos hoje. Desde os primórdios do processamento de materiais metálicos com a utilização de cobre e ouro para ornamentação em civilizações pré-históricas, até o advento da revolução do bronze com a primeira liga metálica feita pelo homem, os materiais metálicos e o seu processamento vêm andando de mãos dadas com o progresso da civilização, e o seu domínio e entendimento vem abrindo portas para tecnologias inéditas (HUMMEL, 2005).
Grande parte deste avanço se deve ao fato que as propriedades dos materiais metálicos os permitem serem transformados por diversos tipos de processamento diferentes, indo desde o forjamento, a fundição em moldes, a deformação mecânica a frio até processos com uso de desgaste (ASKELAND, 2010). Os mesmos apresentam vasta gama de processos disponíveis para controlar forma, microestrutura e propriedades físicas que permite que usufruir de suas propriedades em diversos cenários seja um procedimento facilitado, evidenciado pela vasta adoção e crescente demanda destes no mundo atual (NAKAJIMA et al, 2018).
Na Figura 1, retirada de Nakajima et al (2018) é possível visualizar o consumo mundial de materiais ferrosos nos anos de 1995, 2000, 2005 e 2010, onde se observa uma clara tendência de aumento de demanda desta classe de material.
Figura 1 - Consumo mundial de materiais ferrosos nos anos 1995, 2000, 2005 e 2010.
Fonte: (NAKAJIMA et al, 2018)
Dentre os processos de transformação de materiais metálicos, o processo de fundição possui diversas vantagens, como a produção facilitada de peças de alta complexidade ou largas dimensões, produção de formatos complexos com ligas de baixa ductilidade e aspectos econômicos vantajosos quando comparada com outros métodos. (CALLISTER e RETHWISCH, 2014)
No Brasil, dados apontam para uma produção na ordem de 32,6 milhões de toneladas em 2019 de produtos siderúrgicos. No cenário mundial, estima-se uma produção de 1875,0 milhões de toneladas por ano, sendo os países de Índia e China os maiores contribuintes (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2020).
Diante deste cenário, fica implícito que quaisquer novas informações sobre a influência dos insumos e parâmetros de processo que possa causar uma melhoria em tempos e qualidade do processamento, mesmo que pequena, poderá também causar um impacto considerável em números absolutos produzidos por esta indústria cerne dos materiais metálicos.
Dentro desta categoria, o processo de fundição pela técnica ColdBox é muito utilizado quando se deseja moldar ferros fundidos. Nesta técnica, a incidência de
defeitos de produção causados pela variabilidade de insumos utilizados na obtenção do molde (areia e resina) pode causar perdas financeiras, materiais e ambientais. Desta forma, o estudo destas é sempre interessante em sua capacidade de mitigar ou eliminar as perdas do processo.
Assim, este trabalho teve como objetivo disponibilizar informações sobre o processo de ColdBox em uma situação específica de produção de ferro fundido cinzento, procurando também entender dos principais parâmetros que devem ser controlados para evitar/minimizar a ocorrência de defeitos/falhas em peças fundidas.
O trabalho foi desenvolvido no primeiro semestre de 2021, com estudos realizados em uma particular linha de produção de uma indústria de fundição.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO PRINCIPAL
● Estudo dos parâmetros que interferem na ocorrência de defeitos em peças produzidas em ferro fundido cinzento através do processo de ColdBox. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Estudar as características do processo de fundição e identificar os principais parâmetros de controle;
● Analisar as características dos defeitos encontrados em peças produzidas com ferro fundido cinzento pelo processo de ColdBox de uma empresa que utiliza deste processo para produzir peças de ferro fundido cinzento; ● Estudar os parâmetros que contribuem para o aparecimento de defeitos
em peças fundidas feitas de ferro fundido;
● Avaliar as informações históricas da produção de peças fundidas e a sua respectiva ocorrência de defeitos deste mesmo processo desta empresa; ● Sugerir possíveis soluções para a minimização do impacto dos defeitos
observados na produção de peças de ferro fundido cinzento no processo ColdBox.
Em específico para o caso deste trabalho, entender melhor o efeito da granulometria e outros parâmetros da areia utilizada no processo ColdBox e sua relação com a frequência de defeitos.
Neste trabalho procura-se identificar as relações que os defeitos de fundição têm com a distribuição granulométrica e outros insumos do processo de fundição para que se possa estudar as causas do aumento de frequência de um defeito de fundição de inclusões de areia. Este estudo procura também observar aspectos econômicos e parâmetros essenciais que circundam este defeito.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A produção de peças fundidas tem importante papel na construção de diversos equipamentos utilizados em nosso dia-a-dia. Dentre os diversos processos disponíveis, destacam-se a fundição de peças em ferro fundido a partir do método de caixa fria, sendo alvo do presente trabalho o estudo de um case específico desta tecnologia em ambiente industrial.
Assim, de modo a dar um adequado embasamento das principais características do material e deste processo, o texto a seguir foi dividido em duas partes principais: a primeira, relativa aos ferros fundidos e suas principais características e; a segunda parte, vinculada ao que é o processo de fundição, seus insumos principais e suas variantes, bem como os principais defeitos que ocorrem nos produtos fundidos. Especial atenção foi dada ao ferro fundido cinzento, uma vez que os defeitos aqui estudados foram observados neste material ao decorrer das análises.
3.1 FERROS FUNDIDOS
O emprego de metais fundidos como método de produção é devido ao fato que os mesmos são capazes de produzir peças de variadas dimensões e formas. O seu emprego é dominado na indústria em volume pelo ferro fundido, o qual pode apresentar diversas vantagens quando comparado a equivalentes em aço. Devido a temperatura mais alta requerida para o processamento, o processo de fundição em aço normalmente é mais suscetível a defeitos quando comparado ao ferro fundido (CHIAVERINI, 1988; ASKELAND, 2010).
Quando se comparam os ferros fundidos dentre seus semelhantes, nota-se que o ferro fundido cinzento é o mais utilizado, sendo seguido pelo ferro fundido vermicular, o qual demonstra diversas propriedades de interesse para a indústria. (CHIAVERINI, 1988).
Geralmente, os processos por fundição em moldes de areia são muito versáteis. Durante este tipo de processo, o metal fundido é vertido em um molde de areia composto por duas metades, sendo que neste está presente o formato desejado do fundido final, porém em sua forma negativa. Um sistema de alimentação específico para
o fluxo de metal a ser vertido é aplicado no formato do molde, de modo que se evitam defeitos de fundição tradicionais a este processo. (CALLISTER e RETHWISCH, 2014)
Do ponto de vista materialístico, os ferros fundidos são definidos como aqueles que tem seu processamento facilitado quando se utiliza o processo de fundição e moldagem do metal líquido. Por suas concentrações de carbono acima da faixa de 2%, os mesmos possuem pontos de fusão mais baixos que os aços, sendo então melhores candidatos para o processo de fundição. (CHIAVERINI, 1988)
No diagrama de equilíbrio ferro-carbono, presente na Figura 2, é clara a diferença de temperatura da fronteira liquidus quando se aproxima do ponto eutético do diagrama, o que demonstra esta vantagem.
Figura 2 - Diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono
A classificação dos ferros fundidos normalmente é determinada pelas particularidades da microestrutura encontrada em cada caso. Suas classes principais são (CHIAVERINI, 1988; COLPAERT e COSTA, 2008):
● Ferro fundido cinzento: Possui fratura de aspecto escuro, sendo presente em sua composição o silício. Apresenta o carbono em sua estrutura tanto na forma de lamelas de grafita livre quanto em carbonetos de ferro (Fe3C).
● Ferro fundido branco: Apresenta fratura de aspecto claro, devido ao fato que o carbono presente está quase todo na forma de carbonetos de ferro (Fe3C).
● Ferro fundido mesclado: Uma variação que contêm proporções das duas classes anteriores.
● Ferro fundido nodular/dúctil: Possui sua grafita livre na forma esferoidal, o que lhe confere, em muitos casos, maior ductilidade quando comparado aos ferros fundidos anteriormente citados.
● Ferro fundido de gráfica compacta: Sua grafita apresenta-se na forma de estrias, que lembram “vermes” ao se observar sua microscopia, o que lhe confere seu nome coloquial de ferro fundido vermicular. É obtido com uso de elementos de liga que evitam a esferoidização da grafita presente.
● Ferro fundido maleável: Obtido por meio do ferro fundido branco, sendo este tratado termicamente para obter uma microestrutura maleável.
Na Tabela 1 são visíveis faixas de concentração típicas de elementos de liga aos diferentes tipos de ferros fundidos.
Tabela 1 - Faixas de Concentração Típicas de Diferentes ferros fundidos
Tipo Composição Química (%)
C Si Mn S P Branco 1,8/3,6 0,5/1, 9 0,25/0,8 0,06/0,20 0,06/0,20 Maleável 2,2/2,9 0,9/1, 9 0,15/1,2 0,02/0,20 0,02/0,20 Cinzento 2,5/4,0 1,0/3, 0 0,2/1,0 0,02/0,25 0,02/1,0 Nodular 3,0/4,0 1,8/2, 8 0,1/1,0 0,01/0,03 0,01/0,10 Grafita Compacta 2,5/4,0 1,0/3, 0 0,2/1,0 0,01/0,03 0,01/0,10 Fonte:(CHIAVERINI, 1988)
3.1.1 Ferros Fundidos Cinzentos
O trabalho realizado aqui é fortemente relacionado ao ferro fundido cinzento, uma vez que as amostras disponíveis do defeito estudado são todas deste material. Para tanto, uma revisão mais profunda deste se faz presente abaixo.
Como no caso dos ferros fundidos cinzentos há presença de grafita na forma livre, a fração desta, assim como seu volume, forma e distribuição são fatores que definem o comportamento mecânico esperado do ferro fundido em questão. O fato desta fase grafitizada possuir resistência mecânica menor que a matriz em que se insere fornece uma noção da influência desta em propriedades mecânicas como limite de resistência à tração, módulo de Young e dureza. Por outro lado, a matriz é composta majoritariamente por ferrita e perlita, as quais podem variar de proporção dependendo da composição, processamento e tratamentos térmicos que a amostra recebe (COLPAERT e COSTA, 2008).
A presença da grafita no ferro fundido cinzento se explica, em grande parte, pelo uso de elementos que tendenciam a segregar os carbonetos formados em ferro e carbono, sendo deles o mais comumente usado o silício. Este elemento, quando presente na composição do ferro fundido cinzento, tem o efeito de deslocar o ponto eutético até teores de carbono mais baixos e promover a decomposição dos carbonetos de ferro em grafita, geralmente encontrada na forma lamelar (CHIAVERINI, 1988).
A presença de silício é cerne no ferro fundido cinzento, de modo que os diagramas de equilíbrio termodinâmico presentes na literatura deste material são normalmente expressos na forma de diagramas ternários Fe-C-Si, como mostra o exemplo da Figura 3.
Figura 3 – Diagramas ternários de Fe-C-Si, expressos em diversas concentrações de silício.
Fonte: Adaptado de Chiaverini, 1988.
Como a presença de silício no ferro fundido altera o comportamento demonstrado pelos diagramas de equilíbrio de fases, a utilização de uma proporcionalidade deste para elementos cujo comportamento já é bem conhecido (como o carbono) na literatura se faz válida. Esta proporcionalidade (ou equivalência), pode ser obtida através da fórmula do carbono equivalente:
C . E .=%C +(%Si+%P) 3
Onde:
C . E . é a quantidade de carbono equivalente da liga;
%X representa a porcentagem do elemento em questão na liga.
Quando se observa a presença do silício e seu efeito de promover segregação de carbono na forma de grafita, é possível notar que a grafita formada pode se apresentar
já foi discutida muito brevemente na classificação dos ferros fundidos, porém, uma análise mais profunda de suas formas, dimensões e aspectos se faz necessária (CHIAVERINI, 1988).
A norma ASTM A247-19 define os tipos de grafita indo de I até VII, onde estes são visíveis na Figura 4.
Figura 4 – Tipos de grafita encontrados em ferros fundidos.
A formação dos diferentes tipos de grafita tem forte relação com a composição química e processamento do ferro fundido, sendo que a presença de elementos de liga e parâmetros de processo como velocidade de resfriamento são determinantes para a forma da grafita final observada (CHIAVERINI, 1988).
No caso de ferros fundidos cinzentos, o evento de superresfriamento é especialmente crítico, uma vez que este é um dos fatores mais determinantes para a formação da grafita. Este fenômeno ocorre assim que se ultrapassa a temperatura de solidificação, sendo consequência de um resfriamento mais rápido, o qual não permite que condições de equilíbrio sejam plenamente atingidas no material (SANTOS, 1989).
Quando acontece em um liga hipoeutética, as primeiras frações da fase austenítica esperada se formam na forma de dendritas dispersas no metal líquido, seguindo mecanismos de nucleação e crescimento. Já no caso de uma liga hipereutética, a primeira fase a se solidificar é a grafita, a qual recebe o nome de grafita primária (OLDFIELD, 1982; SANTOS, 1989).
Porém, conforme a fase líquida perde calor para o molde e se solidifica, a temperatura de solidificação real deste processo ocorre em um estado metaestável, em temperaturas que diferem das apontadas por diagramas de equilíbrio (CHIAVERINI, 1988; SANTOS, 1989).
Neste cenário, um resfriamento lento é necessário para que a fase grafita se forme, pois caso um resfriamento rápido ocorra, não haverá tempo suficiente para a fase grafitizada nuclear e crescer. A Figura 5 abaixo demonstra as faixas de temperatura eutética estável (TEE) e temperatura eutética metaestável (TEM), as quais delimitam a zona aceitável de temperaturas para formação da grafita (SANTOS, 1989).
Figura 5 – Curva de resfriamento de um Ferro Fundido e suas TEE e TEM.
Fonte: Adaptado de (SANTOS, 1989).
É possível notar no diagrama zonas onde a temperatura aumenta. Este fenômeno é decorrente da recalescência (dissociação) de alguns núcleos metaestáveis ao longo do processo de solidificação, os quais liberam energia do calor latente de solidificação e aumentam a temperatura localmente ao seu redor (PIESKE, 1974; SANTOS, 1989).
De maneira geral, a influência dos elementos de liga nas diferentes formas de grafita formada possíveis de se encontrar em um ferro fundido se resume ao efeito que estes têm em modificar esta curva de superresfriamento, seja aproximando as linhas TEE e TEM ou modificando o aspecto desta de outras maneiras. No caso de elementos de liga que afastam estas linhas e ampliam a zona de formação de grafita, os mesmos recebem o nome de elementos grafitizantes, pois aumentam as chances de se encontrar grafita na microestrutura final. Como exemplo, cita-se o silício, alumínio, níquel e cobre (CHAVERINI, 1988; PIESKE, 1974).
No caso de elementos que tem efeito contrário, os mesmos já recebem o nome de formadores de carboneto, uma vez que caso não se forme grafita, tende-se a encontrar o carbono na forma de carbonetos no material. Cita-se aqui o cromo, manganês, vanádio e molibdênio como exemplos (CHAVERINI, 1988; PIESKE, 1974).
A Figura 6 abaixo ilustra o efeito do cromo e silício nas linhas TEE e TEM conforme o aumento de sua concentração:
Figura 6 – Influencia do cromo e silício nas temperaturas TEE e TEM.
Fonte: Adaptado de (OLDFIELD, 1982)
Além das diferenças causadas pela composição química na TEE e TEM, as quais indicam a zona de formação de grafita, os diferentes graus de superrresfriamento influenciam a geração das diferentes formas de grafita apresentadas anteriormente. Isto pode ser averiguado ao se observar diferentes cenários de superresfriamento, onde se averiguam grafitas distintas formadas (SANTOS, 1989). Na Figura 7 abaixo são visíveis diferentes perfis de superresfriamento:
Figura 7 – Diferentes perfis de superresfriamento.
Fonte: Adaptado de (SANTOS, 1989).
Para maiores informações sobre os mecanismos nos quais os perfis de superresfriamento operam para gerar os diferentes tipos de grafita, recomenda-se aqui a leitura de Santos, 1989.
3.1.2 O Fenômeno de Nucleação e Crescimento nos Processos de Fundição
Como os ferros fundidos são geralmente fundidos e solidificados em seu processamento, uma exploração dos aspectos teóricos e práticos do processo de nucleação e crescimento de fases metálicas ferrosas se apresenta nesta seção.
A maioria das condições práticas nas quais se aplicam estes conceitos de solidificação ocorrem fora do equilíbrio termodinâmico. Sendo assim, fases em formação e concentrações são normalmente obtidas também em uma condição fora do equilíbrio. Vale lembrar que estes processos implicam na geração das fases e condições não previstas em diagramas de equilíbrio termodinâmico (CALLISTER e RETHWISCH, 2014; CAMPBELL, 2008).
No caso específico dos ferros fundidos, o aquecimento até o estado líquido pode se dar por meio de fornos alimentados a gás, carvão ou eletricidade (CAMPBELL, 2008).
Quando o líquido metálico é vertido em seu molde, a massa líquida cai de encontro a um molde com geometria bem definida, sendo que o líquido assume a forma desta logo que se assenta no molde. Após o processo de solidificação terminar e a peça
final estiver em temperaturas plausíveis de manuseio, a mesma é retirada do molde, apresentando a geometria negativa do molde onde foi vazada (HOSFORD, 2010).
Assim que o processo de solidificação começa, o primeiro fenômeno deste é chamado de nucleação, processo onde núcleos da nova fase se formam em meio ao líquido. Este processo pode se dar de maneira homogênea e heterogênea, sendo que a diferença destes está no local onde a nucleação ocorre. Se os núcleos se formarem de maneira homogênea no volume líquido, a nucleação daquela região é também homogênea. Caso contrário, a nucleação se denomina heterogênea. (CALLISTER e RETHWISCH, 2014).
Nos casos de nucleação homogênea, a qual ocorre de maneira uniforme no volume líquido, os núcleos gerados são modelados como esferas da nova fase, circundados pela fase líquida. Já no caso da nucleação heterogênea, os núcleos são formados em algum local com energia livre já presente, como impurezas e paredes do molde (CALLISTER e RETHWISCH, 2014).
Como no caso de nucleação heterogênea há formação de núcleos de maneira mais facilitada energeticamente, os mesmos são formados em concentrações maiores nas regiões que circundam defeitos e paredes de molde, o que proporciona a estes menores volumes médios de grão quando os mesmos passam para a próxima etapa do processo de solidificação, o crescimento (CALLISTER e RETHWISCH, 2014).
Caso esta concentração de núcleos (os quais crescem posteriormente) seja gerada por um resfriamento realmente muito intenso no metal que atinge a parede do molde, uma zona com grãos muito pequenos é gerada. Estas zonas de grãos menores nas paredes de moldes são chamadas de zonas coquilhadas. Nestas zonas, o superresfriamento sofrido não permite a segregação do carbono na composição em sua forma de grafita, o que gera zonas sem a presença de grafita. Os mecanismos pelos quais este fenômeno ocorre já foram explicados anteriormente neste trabalho (SANTOS, 1989).
Normalmente as mesmas são seguidas por uma zona de grãos mais volumosos e frequentemente alongados quando se avança para longe da parede do molde, um fenômeno comum em moldes metálicos (onde, devido a alta condutividade térmica, a taxa de resfriamento imposta é intensa e brusca) (HILL e REZA, 1994; HOSFORD, 2010).
Figura 8 - Estruturas granulares em um lingote solidificado.
Fonte: (HILL e REZA, 1994)
Conforme a massa líquida sofre solidificação, um dos fenômenos observados em casos de resfriamento intenso e brusco é a formação de dendritas. As mesmas aparecem devido ao resfriamento acentuado sofrido, onde a frente de transformação de líquido em sólido apresenta composições distintas para o sólido e o líquido envolvidos. Tais diferenças podem ser explicadas pela falta de tempo para difusão devida das zonas de concentrações diferentes e também pela diferença intrínseca da solubilidade de certos elementos nas fases sólida e líquida. Ambos os fatores implicam em um ponto de fusão à uma temperatura diferente na zona localizada de solidificação (CAMPBELL, 2008; COLPAERT e COSTA, 2008).
É possível observar a presença de segregações nos pontos que solidificaram por último em um sólido, sendo este fenômeno devido à falta de tempo para difusão destas ao longo da fase líquida durante o processo de solidificação. Devido a mudança de volume ao longo do processo de mudança de fases, e associando também o fenômeno de dilatação térmica, o metal líquido acaba por apresentar um volume maior que seu equivalente sólido em massa, o que faz com que contrações ocorram durante a solidificação, efeito cujo pode levar a presença de rechupes e porosidades na peça final (COLPAERT e COSTA, 2008; CAMPBELL, 2008; HOSFORD, 2010).
A areia de fundição é um dos principais compostos utilizados para compor o molde de fundição em um processo produtivo. A mesma é composta por diversos componentes em diversas proporções, sendo usualmente representada na indústria por sua parte inorgânica e sua parte orgânica. Embora seja composta majoritariamente de sílica, a areia também pode conter uma porcentagem de compostos argilosos (AMMEN, 1979).
No caso de sua parte orgânica, a mesma pode ser medida por meio do ensaio de porcentual de perda ao fogo, o qual indicaria um valor que se recomenda manter abaixo de 1% no caso de areias para uso em processos de fundição (AMMEN, 1979).
3.1.3.1 Granulometria e Permeabilidade
As Principais Características da areia para o processo de fundição são sua distribuição granulométrica e a sua permeabilidade (CAMPBELL, 2004). A granulometria da areia é muito importante devido ao fato que para um preenchimento adequado de um certo volume, grãos de diversos tamanhos diferentes são mais eficientes em seu preenchimento do que grãos de tamanho único, sendo que estes últimos preencheriam o espaço de maneira muito semelhante ao empacotamento compacto de esferas iguais, o qual tem limite teórico de aproximadamente 74% de preenchimento do volume (CALLISTER e RETHWISCH, 2014).
Para medir a granulometria da areia, procedimentos padronizados como o da norma ASTM D 6913-6913M são os mais indicados. Nestes, a areia é pesada em uma quantidade padrão, usualmente em torno de 50 a 100g para granulometrias usuais de areia, e depois vertida em um sistema de peneiras com abertura que diminui progressivamente. O resultado é uma distribuição granulométrica que representa a areia em questão, com cada peneira retendo uma porcentagem do total de areia testado. Um exemplo desta prática pode ser visto na Figura 9 abaixo:
Figura 9 – Distribuição granulométrica de areia em teste granulométrico 20 30 40 50 70 100 140 200 270 Prato 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 PENEIRAS R ET EN Ç Ã O ( % ) Fonte: (AMMEN, 1979)
Nestes testes, a unidade de medida para a abertura das peneiras é chamada de Mesh, o qual possui relação direta com a abertura das peneiras, porém com abertura decrescente conforme o número Mesh da peneira. A Tabela 2 abaixo apresenta a conversão de unidades Mesh para milímetros de abertura da peneira pode ser observada abaixo:
Tabela 2 - Conversão de unidades Mesh para abertura em Milímetros
Número Mesh Abertura da Peneira (mm)
4 4,76 5 4,00 6 3,36 7 2,83 8 2,38 10 2,00 12 1,68 14 1,41 16 1,19 18 1,00 20 0,841
25 0,707 30 0,595 35 0,500 40 0,420 45 0,354 50 0,297 60 0,250 70 0,210 80 0,177 100 0,149 120 0,125 140 0,105 170 0,088 200 0,074 230 0,063 270 0,053 325 0,044 400 0,037
Fonte: Norma ASTM D 6913-6913M
O entendimento da influência da granulometria da areia nas propriedades finais do fundido vem de encontro com o acabamento superficial esperado do fundido. Isto se deve ao fato que o metal líquido se solidifica e, portanto, adquire sua forma final enquanto está em contato com a areia do molde. Caso a areia não seja capaz de providenciar um preenchimento adequado do volume do molde, este acabamento pode apresentar rugosidades elevadas, comprometendo o aspecto visual e também muitas vezes aspectos técnicos da aplicação da peça produzida (CAMPBELL, 2004).
Porém, outro aspecto crítico da areia de fundição para o processamento em moldes de areia é a sua capacidade de transpirar os gases gerados pela queima da resina aglutinante durante o verter do metal líquido ao molde e seu resfriamento. A esta propriedade, chamada de permeabilidade, estão atrelados parâmetros de processo importantes como a resistência do molde e a probabilidade de falha do molde durante o
Caso a permeabilidade apresentada pela areia seja muito baixa, a mesma não permitirá o escape dos gases gerados, o que aumentará a pressão interna no molde de fundição, fenômeno este que pode levar ao trincamento e falha do molde de fundição (AMMEN, 1979).
Porém, caso a permeabilidade da areia seja demasiada, o porcentual de vazios presente no molde pode significar uma utilização de resina muito alta, o que pode gerar gases em quantidades mais altas, causando assim defeitos de inclusão de gás na peça (bolhas). Além disto, uma situação com porcentual de vazios implica também poucos pontos de contato dentre grãos de areia, o que pode significar baixa resistência mecânica do molde finalizado (AMMEN, 1979).
Para o teste de permeabilidade de areias, o procedimento padronizado segue a norma ASTM STP 163, a qual estipula a compactação, dimensões, e pressões aplicadas em um teste que força a passagem de ar comprimido por uma amostra da areia. O resultado é uma medida em AFS, o qual possui unidades no sistema SI de cm4.g-1.min-1
(ABIFA, 2021).
Este ensaio revela em seu resultado uma medida da quantidade de espaços vazios e o seu efeito em oferecer resistência para o gás que atravessa o meio. É um resultado muito importante para areias de moldes de fundição, uma vez que a queima da resina e outros fatores menores geram gases durante o processo de fundição, os quais precisam ser transpirados pelo molde para evitar defeitos de fundição associados.
3.1.4 O Processo ColdBox
Neste trabalho foram realizados estudos que dizem respeito a processos que ocorreram sobra a metodologia denominada ColdBox. Para tanto, cabe aqui uma revisão sobre este tipo de processo e suas características para que o leitor tenha melhor entendimento do processo.
O processo ColdBox consiste em uma composição de areia com resina ligante capaz de fornecer para a areia resistência e permeabilidade necessárias para o processo de fundição. Nele, ambas as metades do molde adquirem forma já com a presença da resina ligante, de modo que um processo subsequente com aplicação de catalisadores completa o processo de cura da resina, garantindo resistência mecânica necessária ao molde. (ARCHIBALD E SMITH, 2004)
Sobre este processo, Vasková e Hrubovčáková (2015) argumentam que as vantagens do processo ColdBox são destacadas em moldes de até tamanho médio. Os mesmos também argumentam, embora tratando-se de machos de fundição (mas ainda com valor para esta discussão), que o processo permite produção com altos graus de automatização quando se utiliza de tintas, sendo até duas vezes mais rápido que outros métodos (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
Seu processamento envolve a cura de uma mistura de areia e ligante que ocorre em temperatura ambiente, tendo sua velocidade aumentada pela presença de catalisadores que podem se apresentar na forma de vapores ou gases. Os agentes químicos que formam o ligante deste processão são a resina fenólica, isocianato e catalisador polimérico (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
A resina fenólica normalmente é dissolvida em solventes para garantir uma viscosidade baixa e facilitar o recobrimento dos grãos de areia e a mistura com o isocianato. O isocianato também pode acompanhar solventes pelo mesmo motivo, mas sua principal função é reagir com os grupos hidroxila da resina fenólica para formar um sólido (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
Para acelerar o processo, um catalisador gasoso (normalmente à base de aminas) é soprado na mistura da resina fenólica, areia e isocianato, finalizando a reação e endurecendo a mistura final. Um segundo sopro, desta vez de ar, é então bombeado ao molde para retirar gases residuais (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
A reação de formação da resina sólida resultante (uretano) não deixa nenhum subproduto, e sua composição final apresenta composições de nitrogênio na faixa de 3 a 4%. Este processo é extremamente sensível a presença de umidade na areia utilizada, sendo recomendadas porcentagens menores de 0,1% de peso em água da areia durante o processo de formação dos moldes (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
3.1.5 Defeitos de Fundição
Os principais defeitos encontrados nos processos de fundição convencionais, assim como suas causas mais prováveis são listados abaixo.
3.1.5.1 Falhas de Formato
Quando o metal líquido entra no molde, a primeira condição que ele tem que cumprir é de preencher a cavidade de modo a deixar uma superfície suave e de contato
críticos para o fundido, como defeitos de metal frio, superfícies remanescentes no núcleo da peça final e deformidades que certamente seriam inaceitáveis no ambiente de aplicação final das peças (CHARLES, 2002).
Tais defeitos tem forte relação com a temperatura do metal sendo vazado, sendo que nos casos de defeitos metal frio, a solidificação precoce do metal na peça gera superfícies e falta de coesão microestrutural. A temperatura também pode gerar deformidades, pois num caso onde diferentes regiões da peça solidificam prematuramente, a contração térmica e de solidificação pode gerar distorções inaceitáveis na forma final do fundido (CHARLES, 2002).
Falhas de formato podem aparecer também quando as metades do molde não são devidamente encaixadas, sendo que defeitos do tipo mismatch (quando as metades do molde estão desviando lateralmente) são defeitos de formato comuns. Outra variante destes ocorre quando o molde não é capaz de suportar a pressão hidrostática exercida pelo metal líquido, e acaba por abrir na linha de junção das duas metades do molde, gerando assim colunas de metal nos pontos de encontro dentre as metades do molde de fundição (CHARLES, 2002).
Dentre estas distorções de formato, atenção especial é dada aos rechupes, defeitos que são formados quando se falha em compensar a contração térmica de solidificação e de resfriamento do líquido. A mudança de volume associada a estes casos gera rechupes das mais variadas formas, sendo empregado o uso de massalotes (grandes reservatórios de metal líquido) em regiões específicas e particulares da peça para mitigá-los. Tais defeitos são visíveis na Figura 10, onde são mostradas diferentes maneiras que os rechupes podem se manifestar (CHARLES, 2002).
Figura 10 – Rechupes e suas diferentes maneiras de manifestação.
Fonte: (CHARLES, 2002) 3.1.5.2 Sinterização de Areia e Veiamento
Durante a moldagem por uso de moldes de areia, é muito comum que defeitos na forma do molde de areia causem grandes danos ao fundido final observado. São os casos dos defeitos de sinterização de areia e veiamento, presentes ambos nas Figuras 11 e 12, onde a interação dentre o metal líquido vertido no molde e a areia resulta em defeitos superficiais no fundido (CHARLES, 2002).
Figura 11 – Areia sinterizada na superfície de um fundido e seu perfil de rugosidade.
Figura 12 – O fenômeno de veiamento e seus efeitos.
Fonte: (CHARLES, 2002)
No caso da sinterização, o processo ocorre quando uma certa seção do molde em contato com o metal líquido se encontra em temperatura alta o suficiente para promover o processo de sinterização, o qual pode posteriormente aderir ao fundido final por meio de imperfeições na superfície do molde. Tais imperfeições são normalmente cavidades de tamanho microscópico pelas quais o metal líquido pode adentrar, e garantir aderência de uma camada de areia sinterizada. Outros mecanismos também podem gerar sinterização de areia, como rugosidade e temperatura de envaze muito alta do metal líquido (CHARLES, 2002).
Já no caso do veiamento, a superfície final do fundido fica alterada pela presença de ‘veias’, as quais podem ser formadas pelo metal adentrar o molde em uma pequena fissura deste, ou o molde apresentar uma pequena endentação que adentra o fundido (CHARLES, 2002).
3.1.5.3 Fraturas no Fundido
Fraturas no fundido podem aparecer no caso de mudanças de geometria bruscas no molde, onde a concentração de tensões durante o processo de solidificação e contração térmica são acentuadas por taxas de resfriamento muito diferentes em duas regiões muito próximas do fundido (CHARLES, 2002).
Seu aparecimento pode se dar com defeitos comunicantes (fraturas visíveis na superfície do fundido) ou não-comunicantes (fraturas internas, não averiguadas na superfície do fundido). Sua causa é uma contribuição de vários fatores, sendo a alimentação má regulada de metal líquido para compensar a retração térmica e a formação de tensões dentre fundido emolde os principais componentes causadores deste defeito. A composição química da liga a ser fundida é crítica para este fenômeno, pois taxas de contração térmica, e consequentemente, tensões dentre fundido e molde são diretamente relacionadas (CHARLES, 2002).
Condições de vazamento como temperatura de vazamento muito altas também podem influenciar a frequência de aparecimento deste defeito (CHARLES, 2002).
3.1.5.4 Inclusões
Quando se tratando de inclusões remanescentes no sólido metálico após o processo de fundição, entende-se o termo ‘inclusões’ como referindo-se normalmente às inclusões não-metálicas. Nestes casos, a presença de corpos estranhos e bolhas de gás é muito presente e demonstram dois subgrupos deste defeito, as inclusões gasosas e inclusões de corpo estranho (CAMPBELL, 2004).
No caso específico de bolhas de gás, para um melhor entendimento da concepção e morfologia destas, é necessária uma discussão sobre o motivo das inclusões gasosas não ascenderem e deixarem o ambiente de metal fundido extremamente denso e viscoso, como sugeriria a lei de Stevin (MOYSÉS, 2002). Para tanto, é necessário lembrar que o ambiente de altas temperaturas de um fundido vertido em molde é muito propício para a formação de óxidos, os quais aumentam a densidade aparente do defeito e impedem a ascensão da bolha de gás.
Estas bolhas, quando presentes em volumes e números intoleráveis (valor de referência o qual depende da finalidade da peça fundida) e localidades específicas da peça fundida, como zonas de concentração de tensão ou de dimensão crítica, podem representar uma perda total do processo de fundição, com custos associados ao reprocessamento e insumos utilizados. Portanto, evitar a sua formação com controle de parâmetros de processo é essencial em todos os casos. (CAMPBELL, 2011)
Porém, no caso de inclusões de corpo estranho, o volume preenchido pela inclusão contém algum material (geralmente sólido, de dimensões macroscópicas) que não faz parte da matriz metálica, sendo também incoerente com o restante da
Neste tipo de inclusão, o trabalho presente focar-se-á nas inclusões de areia, sendo que este tipo de inclusão pode ser encontrado em conjunto com bolhas de gás ao seu redor, fato evidente quando se considera o processo ColdBox, exemplificado mais à frente.
3.1.5.5 Inclusões de Areia
Considerando a estrutura e tipo de ligações químicas primárias presentes na sílica (principal componente da areia de fundição), não é surpreendente o fato da mesma ser insolúvel no meio metálico fundido, seu ponto de fusão é muito mais alto que as faixas de temperatura em que o ferro fundido é comumente processado (SHACKELFORD E DOREMUS, 2008).
Portanto, a areia pode se apresentar como um defeito de fundição na forma de inclusões no corpo metálico. Normalmente tais defeitos são associados a processos de fundição que utilizam moldes compostos por areia, sendo, portanto, um defeito ocasionado simultaneamente pelo processamento do molde e do fundido (AMMEN, 1979).
As inclusões de areias, quando estudadas sob o aspecto específico dos processos ColdBox, tem sua origem muito provavelmente atrelada ao desprendimento de areia do molde de fundição (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
Tal desprendimento pode acontecer de diversas maneiras, sendo modos de desprendimento de grãos individuais ou aglomerados encobertos pela resina aglutinante os mais presentes. Quando estes são desprendidos, o corpo metálico ainda se encontra em processo de envaze, sendo, portanto, líquido em sua maioria. Tal fato pode levar a areia a se assentar nos mais diversos locais do molde, sendo muito susceptível as forças de empuxo e as turbulências presentes no metal líquido (AMMEN, 1979).
Portanto, defeitos de inclusão de areia dificilmente ocorrerão no local onde o desprendimento dos grãos de areia ocorreu. Tal fato é reforçado pelo fato que quando o grão se desprende, o mesmo inevitavelmente leva consigo uma quantidade da resina aglutinante presente em sua superfície. Processsos de combustão, oxidação e lixiviação desta resina podem levar a mesma a liberar gases, o que faz com que defeitos de inclusão de areias acompanhem consigo uma zona de bolhas em seus locais de ocorrência (AMMEN, 1979).
Quando ocorrem, tais defeitos podem gerar consigo zonas com bolhas e areia, o que fragiliza o fundido em sua forma final, uma vez que tais zonas são uma descontinuidade no sólido, o que pode gerar acúmulo de tensões e redução de seção transversal, ambos maléficos para as propriedades mecânicas da peça final (AMMEN, 1979).
A causa do desprendimento pode ser associada, no processo ColdBox em específico, a vários fatores como por exemplo a má compactação da areia, excesso ou escassez de resina no molde, excesso de rugosidade superficial do molde e distribuição granulométrica inadequada da areia (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
Este último exemplo em particular é crítico para esse trabalho, portanto, cabe aqui explicar que ele ocorre por mecanismos que tem forte relação com o porcentual de vazios da areia (volume o qual será ocupado pela resina), além de ser relacionado com o número de pontos de contato dentre os grãos de areia presentes, todos parâmetros que tem relação direta com a distribuição granulométrica da areia utilizada na composição do molde (ARCHIBALD E SMITH, 2004).
3.1.6 Técnicas de Análise Aplicadas em Produtos Fundidos
Nesta seção estão presentes pequenas revisões sobre os princípios que norteiam os ensaios realizados neste estudo. Estes ensaios são comumente aplicados em produtos fundidos e seus insumos, sendo muito úteis em revelar informações importantes sobre os mesmos em um contexto fabril e laboratorial.
3.1.6.1 Técnicas de Análise Aplicadas em Produtos Fundidos
Os procedimentos metalográficos mais comumente aplicados para preparação de amostras para processos de lixamento, polimento, ataque químico e análise em microscópio.
É importante lembrar que, para o caso dos ferros fundidos cinzentos, a norma ASTM A247-19 que classifica os tipos, formas e tamanhos de grafita especifica que a análise desta deve ser feita anteriormente a qualquer ataque químico.
O procedimento realizado aqui segue o fluxograma presente na Figura 13 abaixo:
Figura 13 – Fluxograma dos ensaios metalográficos realizados.
Fonte: Autor. Para tanto, cada passo foi especificado abaixo:
Lixamento: É aplicado o lixamento com auxílio de um equipamento politriz, o qual gira as lixas utilizadas em velocidade constante. As lixas foram aplicadas com sua granulometria progredindo de forma crescente. Polimento: Em um equipamento politriz igual ao anterior, o prato de
polimento é instalado e o material abrasivo (solução com alumina dispersa) é aplicado. As amostras são polidas em movimentos circulares indo no sentido inverso ao da rotação do equipamento, de modo a permitir polimento uniforme e constante sem direção preferencial.
Ataque Químico: As amostras são atacadas com o agente químico Nital 3% para revelar a microestrutura da matriz metálica.
Microscopia Ótica: Análise da matriz metálica revelada e suas características.
3.1.6.2 Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia
A espectroscopia de raios-x por dispersão de energia (EDS ou EDX) é uma técnica de análise para determinação da caracterização química de uma certa amostra. A mesma é uma técnica que se baseia na espectroscopia dos elementos presentes na amostra para determinar o espectro de emissão da mesma, utilizando-se de fótons de energia na faixa dos raios-x para tal feito. (GOLDSTEIN, 2009)
Para excitar a amostra, a técnica faz uso de um feixe de elétrons ou fótons que atinge a eletrosfera do elemento-alvo, causando a ejeção de elétrons das camadas menos energéticas do átomo do elemento-alvo. Após este fenômeno, um outro elétron de uma camada mais energética do mesmo átomo acaba por transicionar para a posição vacante deixada, emitindo um fóton de energia equivalente a transição de estados realizada. Isto gera a emissão de raios-x que é detectada pela técnica, sendo possível com esta identificar elementos presentes na área ensaiada. (GOLDSTEIN, 2009)
O resultado gerado pelo ensaio é um gráfico como o da Figura 14, onde há uma distribuição de intensidades detectadas em função da energia do fóton detectado.
Figura 14 – Resultado de uma análise de EDS.
Fonte: (GOLDSTEIN, 2009)
Esta técnica é amplamente utilizada em caracterização química de amostras, sendo muito útil para identificar elementos presentes em uma amostra de composição desconhecida. (GOLDSTEIN, 2009)
3.1.6.2 A Microscopia Eletrônica de Varredura
Esta técnica se caracteriza pelo uso de um bombardeamento de elétrons na amostra, os quais vão interagir com a estrutura presente no material-alvo e fornecer diferentes resultados a depender desta estrutura presente. Como a mesma utiliza-se de elétrons para tal feito, a amostra em questão precisa ser de caráter condutível para que a técnica seja efetiva. (MALISKA, 2019)
Sua característica de maior impacto é o fato que a mesma pode alcançar aumentos superiores aos da microscopia ótica. Tal fato pode ser de grande utilidade quando se tem o objetivo de estudar pequenos defeitos e características do material, como é o caso desse trabalho.
A física do processo é descrita como um fino feixe de elétrons que são irradiados na amostra, sendo que destas diversas interações acontecem e diversos resultados podem ser obtidos, como por exemplo:
Elétrons secundários: são detectados com o objetivo de verificar contraste na amostra em termos da composição química e das fases presentes no material. (MALISKA, 2019)
Elétrons retroespalhados: são obtidas imagens com contraste de relevo (topografia). (MALISKA, 2019)
Raios-x característicos; Eletróns auger;
3.1.6.3 O Método PCA de Análise Estatística
O método de análise estatística Principal Component Analysis (PCA) é um método de análise de multivariáveis. Este é recomendado quando deseja-se comparar o comportamento de diversas funções semelhantes em sua forma e comportamento, sendo especialmente útil para diferenciar funções que variam apenas em suas constantes de parametrização (JOLLIFFE, 2002; FUKUNAGA, 1990).
O mesmo leva em conta a variância dos dados ao longo de seu eixo de variável independente para transformar os dados de seu domínio natural para um modificado. O método PCA tem como retorno após a aplicação um ambiente com vários “componentes principais”, de onde se selecionam quais os mais significativos para o conjunto de dados processados e se colocam neste ambiente os vetores e pontos referentes aos dados processados (JOLLIFFE, 2002; FUKUNAGA, 1990).
Este método foi aplicado neste trabalho para encontrar pontos de variação na granulometria da areia (obtidas pelo ensaio de granulometria já discutido) e apontar o período no qual houve uma mudança brusca na mesma, uma vez que esta mudança seria representada nos resultados da análise como regiões de aglomeração de pontos distintas para cada comportamento de areia encontrado. Utilizou-se do software Origin Pro 2016 para realização do tratamento de dados necessário.
Após todos os procedimentos, a proximidade dos pontos e vetores uns com os outros determina quais são as amostras mais parecidas e mais distintas entre si. Como no caso aqui aplicado os vetores são as retenções de areia encontradas nos testes de granulometria e as areias colhidas em cada período são os pontos plotados no gráfico, a proximidade de um ponto com um dado vetor informa o quanto aquele vetor (tamanho de partícula de areia) contribuiu para o comportamento daquele ponto (areia colhida em determinado período) (JOLLIFFE, 2002; FUKUNAGA, 1990).
Isto é visível quando, por exemplo, uma dada amostra (ponto) com um pico de retenção de areia em seu gráfico granulométrico se encontra em uma posição diferente das demais, perto de uma peneira incomum a outros pontos (vetor).
Um exemplo de aplicação desta técnica e o seu resultado pode ser observado na Figura 15, onde são observadas 25 nações distintas e o seu respectivo consumo de 9 grupos de alimentos.
Figura 15 – Uma demonstração da análise PCA e seus resultados.
Fonte: Acervo demonstrativo do Software Origin Pro 2016.
A proximidade dos vetores (grupos de alimentos, em azul) com os pontos (nações, em vermelho) demonstra a afinidade desta nação com aquele grupo de alimentos, o que pode, neste exemplo específico, revelar nações com comportamentos alimentares semelhantes. É importante lembrar que os eixos expostos pelo resultado da análise são adimensionais, e já não representam nenhuma unidade específica, sendo mais relevante suas informações de escala.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Este tópico tem como objetivo elucidar procedimentos experimentais realizados na composição deste trabalho. Nesse intuito, detalhes sobre obtenção de amostras, ensaios e suas metodologias, tratamento de dados e também a relevância dos resultados destes para as discussões deste trabalho.
Vale ressaltar que neste trabalho foram selecionadas peças as quais apresentam um defeito de fundição que ocorre com frequência em guias de válvula, compostas por ferro fundido cinzento, produzidas em uma unidade fabril através dos processos de fundição em ColdBox e usinagem posterior. Os resultados encontrados foram coletados com o propósito de identificar o defeito, suas causas e relações com os aspectos do processo produtivo empregado.
Para tanto, ferramentas de colheita de dados no sistema interno da empresa foram utilizadas, assim como procedimentos laboratoriais como MeV, EDS, Metalografia e aferição de granulometria. Para análise destes dados, programas com capacidades estatísticas como Microsoft Excel e Origin Pro foram utilizados.
4.1 ENSAIO DE GRANULOMETRIA
O ensaio de granulometria é realizado de acordo com a norma ASTM D 6913-6913M, onde se especificam peneiras de diferentes tamanhos de abertura para se verter a areia a ser medida. O mesmo tem como objetivo gerar uma curva de distribuição granulométrica, conforme indicado na Figura 3.
A escolha das peneiras se deu de acordo com o especificado pelo fornecedor da areia, onde o mesmo declarou a necessidade de utilização das peneiras de 20, 30, 40, 50, 70, 100, 140, 200 e 270. Na Figura 16 é visível o arranjo de peneiras.
Figura 16 – Arranjo de peneiras utilizado para o ensaio.
Após organização das peneiras na ordem especificada, as mesmas foram levadas a plataforma de vibração para ficarem sob vibração por 10min. As peneiras são então esvaziadas, uma à uma, para medir a quantidade de areia retida em cada uma e gerada sua distribuição granulométrica, sendo esta de aspecto semelhante a Figura 3.
São coletadas amostragens de areia a cada novo carregamento que entra no processo produtivo. Tal processo ocorre no mínimo uma vez por dia, com uma frequência média de 8 vezes por semana, sendo coletadas e testadas 3 amostras de 50g em cada ensaio, em uma balança com 4 casas decimais de resolução. O resultado do ensaio é uma média dos 3 resultados das amostras coletadas. Os ensaios ocorrem à temperatura ambiente de 23°C, sendo esta temperatura padrão para os ensaios realizados no laboratório.
4.2 ANÁLISE METALOGRÁFICA
As amostras das peças contendo o defeito e do defeito em si tiveram sua metalografia analisada por meio de metalografia ótica. Os ensaios consistem na coleta de amostras, lixamento, polimento, ataque químico e análise em microscópio ótico. Ressaltam-se aqui os casos de análise da forma da grafita formada, onde a análise em microscópio ótico se deu antes e depois ao ataque químico.
As amostras foram lixadas utilizando a sequência de lixas de forma crescente em uma máquina politriz, com os números 150, 320, 600 e 1200 sendo utilizados. Na sequência, foi instalado o prato de polimento e o material abrasivo foi aplicado (solução com alumina dispersa), sendo as amostras então polidas.
O ataque químico se deu com uso do agente químico Nital 3%, de modo a revelar a microestrutura das amostras coletadas.
As amostras forem então levadas ao microscópio ótico, da marca Olympus, modelo BX41M-LED, o qual é apresentado na Figura 17. Os aumentos utilizados para as análises foram os de 5x, 10x, 20x, 50x e 100x.
Figura 17 – O microscópio utilizado nas análises.
Fonte: Autor.
A morfologia da grafita observada foi classificada de acordo com a norma ASTM A247-19, a qual especifica os aumentos aplicados e critérios de classificação para a grafita.
4.3 ANÁLISE DE MEV E EDS
Algumas amostras foram levadas até o Instituto SENAI de Inovação, onde foram submetidas a ensaios de MEV e EDS. Os detalhes sobre os parâmetros destes estão presentes no Anexo A deste trabalho, onde são visíveis todos os parâmetros relevantes para estes ensaios.
É importante lembrar que tais ensaios não foram conduzidos pelo autor, e que seus respectivos resultados foram levantados anteriormente ao envolvimento do autor com o estudo dos defeitos e suas causas no ambiente fabril da empresa.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Aqui são discutidos os resultados encontrados e suas ramificações no trabalho realizado. O mesmo foi divido em ordem cronológica dos acontecimentos e dados coletados que decorreram na empresa.
Ressalta-se o fato que alguns dados aqui estudados já haviam sido levantados por procedimentos internos da empresa, sendo somente a consolidação e análise destes realizada pelo autor. Tal afirmação se aplica aos dados de granulometria da areia, análises contidas no Anexo A e porcentuais de refugos encontrados nos períodos anteriores ao primeiro semestre de 2021. Tais dados datavam desde o início do ano de 2019.
A peça em questão analisada é uma guia de válvula, fabricada por meio de processo de fundição em ColdBox e posterior usinagem. A mesma apresenta em seu processamento envaze em moldes na configuração de ‘cacho’, onde um grande número do mesmo item bruto de fusão é obtido do mesmo molde de fundição, sendo o ‘cacho’ resultante posteriormente separados de seus elementos de moldagem (canais de enchimento, massalotes, coquilhas e etc).
As peças brutas resultantes do processo de fundição apresentam formato cilíndrico, com diâmetro na faixa de 10 à 20mm e cumprimento da ordem de 50 à 100mm, sendo que dimensões da ordem de 15mm de diâmetro de 75mm de comprimento são as mais comuns.
Os defeitos foram estudados em peças compostas por ferro fundido cinzento, o qual apresenta composição dentro das faixas apresentadas na Tabela 3:
Tabela 3 – Faixas de composição presentes nos itens estudados.
Elemento C Si Mn P S Cu
% 3~3,5 1,8~2,6 0,6~1,2 0,3~0,6 0,12 máx 0,5~0,9
5.1 APRESENTAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO DEFEITO
Nas Figuras 18 e 19 presentes a seguir estão apresentados exemplos do defeito comumente verificado na produção das guias de válvula no ambiente fabril. Tais defeitos só são averiguados após a usinagem do sobremetal externo das peças, sendo apontados como refugo apenas na etapa de inspeção visual (a última etapa de controle de qualidade na linha produtiva).
Figura 18 – Defeito encontrado, apresentado em duas peças fundidas distintas. Sem ampliação.
Fonte: Autor.
Já na Figura 19, é possível observar o defeito com um aumento de 5x aplicado: Figura 19 – O defeito observado com aumento de 5x.
Fonte: Autor.
O defeito é encontrado majoritariamente em guias de válvula, ocorrendo também em menor nível de incidência em sedes e tuchos. Este fato é interessante, uma vez que
