F
UNDIÇÃO
Tecnologia Metalúrgica Prof. José Luís L. Silveira
Curso de graduação em Engenharia Mecânica UFRJ – Centro de Tecnologia – sala I-241
B
IBLIOGRAFIALivro Texto:
“Introdução aos Processos de Fabricação
de Produtos Metálicos” (capítulo 2)
autores:
Claudio Shyinti Kiminami, Walman Benício de Castro e Marcelo Falcão de Oliveira;
Editora Edgard Blücher, 1ª edição, 2013.
F
UNDIÇÃOFundição é um processo de fabricação onde o
metal fundido flui por gravidade, ou é forçado, para dentro de um molde, onde se solidifica na forma da cavidade desse molde.
A parte solidificada é denominada fundido e é
retirada do molde por meio de sua abertura, no caso de moldes metálicos, ou através da destruição do molde, no caso dos moldes de areia.
V
ANTAGENS DOP
ROCESSO DEF
UNDIÇÃOPode ser usado para fabricar peças com
geometria complexa.
Alguns processos são capazes de produzir peças
com a forma final (net shape).
Pode ser usado para peças de grande dimensão
ou para peças pequenas.
Pode ser usado para um grande número de ligas
metálicas.
Pode ser automatizado.
Permite a reciclagem de sucata metálica o que
2
D
ESVANTAGENS DOP
ROCESSO DEF
UNDIÇÃOAlguns processos tem precisão dimensional e
acabamento superficial limitados.
O trabalho é perigoso, devido ao metal fundido. As propriedades mecânicas podem ser afetadas
pela ocorrência de porosidade, inclusão de escória e microestrutura grosseira.
E
TAPAS DOP
ROCESSO DEF
ABRICAÇÃO PORF
UNDIÇÃOM
OINHO PARA AREIA DE FUNDIÇÃOM
OLDE DEA
REIA COM REPRESENTAÇÃO DAP
EÇA E DOS
ISTEMA DEA
LIMENTAÇÃOG
ASESD
ISSOLVIDOS NOM
ETALL
ÍQUIDOA solubilidade dos gases dissolvidos no metal líquido
decresce drasticamente com a mudança do estado líquido para o sólido.
O excesso de gases dissolvidos pode, durante a
solidificação, gerar bolhas ou porosidades dentro da peça fundida.
G
ASESD
ISSOLVIDOS NOM
ETALL
ÍQUIDOPara prevenir a formação de porosidade pode-se:
remover os gases dissolvidos antes do vazamento
do metal líquido por meio da desgaseificação a vácuo;
usar um fluxo protetor sobre o metal fundido para
reduzir o contato com o ar;
manter a temperatura de superaquecimento baixa para reduzir a solubilidade de gases no metal líquido;
projetar a geometria dos canais de vazamento de modo a produzir um fluxo não turbulento, para evitar o contato do metal líquido com o ar.
G
ASESD
ISSOLVIDOS NOM
ETALL
ÍQUIDO(cont.) Para prevenir a formação de porosidade pode-se:
passar um gás inerte ou reativo através do metal líquido.
Por exemplo: bolhas de nitrogênio ou de cloro para remover
hidrogênio do alumínio.
fazer os gases reagirem para formar um composto de
baixa densidade, que seja removido com a escória.
Por exemplo, remoção de oxigênio do cobre pela adição de fósforo e
do aço pela adição de alumínio ou silício.
Na fundição em areia:
A compactação correta da areia permite uma
permeabilidade adequada dos gases;
Um fluxo não turbulento do metal líquido também previne a erosão do molde e a inclusão de escória.
T
EMPERATURA DEV
AZAMENTOPara garantir que o metal preencha toda a cavidade do
molde, a temperaruta de vazamento deve ser superior a temperatura de fusão do metal, isto é, deve haver um superaquecimento do metal.
Um superaquecimento elevado aumenta: o consumo de
energia, a oxidação do metal, a solubilidade de gases (que podem gerar porosidades e bolhas), o risco de fluxo turbulento (que pode causar a erosão do molde e o aprisionamento de gases) e o desgaste do molde (no caso de moldes permanentes).
Um superaquecimento inferior ao necessário pode
resultar na solidificação do metal antes do preenchimento completo do molde.
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F
LUIDEZA fluidez determina a capacidade de um metal
líquido fluir e preencher um molde.
Depende da composição química da liga, da
temperatura de fusão, do intervalo de solidificação e do superaquecimento.
O ensaio de fluidez consiste em vazar o metal
líquido em um molde padronizado. O tipo mais utilizado possui a forma de uma espiral. Após a solidificação o comprimento preenchido da espiral é medido. Quanto maior o comprimento, maior é a capacidade do metal em preencher as seções finas do molde.
M
ODELO PARAE
NSAIO DEF
LUIDEZM
OLDE PARAE
NSAIO DEF
LUIDEZE
SCÓRIAÉ um resíduo que se origina na fusão do metal e é
menos denso que o metal líquido.
Deve se evitar que a escória seja carregada pelo metal
fundido para dentro da cavidade do molde para evitar defeitos no fundido.
Pode se usar filtros nos canais de vasamento para a
retenção da escória (figura a seguir).
A reação do metal líquido com o oxigênio do ar produz
óxidos que são, em geral, menos densos que o próprio metal líquido e que se somam à escória.
Para proteger o metal líquido do contato com o ar do
ambiente é utilizado o fluxo, que além de proteger o metal líquido pode escorificar elementos indesejáveis.
F
ILTROS PARAE
SCÓRIAF
ORNOSOs fornos utilizados para a fusão da liga no processo de
fundição podem ser divididos em:
Fornos elétricos
Fornos a arco elétrico (arco direto e indireto) Fornos de indução
Fornos a resistência elétrica
Fornos a combustível Fornos a óleo Fornos a gás Fornos a carvão
F
ORNOSE
LÉTRICOSFornos a arco elétrico utilizam o calor gerado pela
abertura de um arco elétrico. Permitem utilizar sucata como carga pois facilitam o controle e correção da composição das ligas (figura a seguir).
O arco pode ser direto, quando formado entre o eletrodo e a carga, ou indireto, quando formado entre os eletrodos.
Fornos elétricos por indução utilizam o calor gerado
no próprio metal pela corrente elétrica que é induzida por um campo eletromagnético de alta frequência. Produzem um intenso agitamento no metal, o que favorece a homogeneização da liga (figura a seguir).
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F
ORNO DEI
NDUÇÃOF
ORNOS AÓ
LEO E AG
ÁSSão usados principalmente para a fusão de não-ferrosos e
utilizam o calor gerado pela combustão de óleo diesel, gás liquefeito de petróleo (GLP) ou gás natural.
A combustão pode ocorrer diretamente sobre o metal ou
aquecer um cadinho onde o metal está depositado.
Os fornos de cadinho podem ser classificados em 3 tipos:
Tipo estacionário – onde o forno é fixo e o metal fundido é retirado com uma concha.
Tipo basculante – onde o forno pode bascular para vazar o metal líquido, em uma panela de transporte, ou em uma calha que conduzirá o metal líquido
Tipo cadinho removível – onde o cadinho é removido do forno para ser usado como panela de vazamento.
C
ADINHOSCadinhos de Grafite Cadinhos de Carboneto (Carbeto) de Silício
F
ORNOS AC
ARVÃOOs Fornos Cubilô são usados para produzir ferro
fundido cinzento.
Seu interior é revestido com tijolos refratários e no topo
do forno, há uma abertura por onde o carvão (coque), calcáreo e a carga metática são depositados. O ar necessário para a combustão é soprado por ventaneiras.
Próximo à base há uma abertura (que é vedada) e
permite que o ferro fundido seja vazado.
Há uma outra abertura para colher a escória localizada
na parte de trás e acima do nível da abertura vedada.
Em geral a carga é composta de ferro gusa, sucata
de ferro fundido cinzento e de aço, coque e calcário. Estes componentes formam camadas alternadas de coque, calcário e metal.
F
ORNOC
UBILOT(C
ARVÃO)
I
NTERVALO DES
OLIDIFICAÇÃOO intervalo de solidificação de uma liga é a faixa de
temperatura entre o início e o término da solidificação (fusão) da liga (figura a seguir).
Para uma liga eutética o intervalo de solidificação é
nulo.
Dentro do intervalo de solidificação a liga é composta
por uma parte sólida, constituída por cristais na forma de dendritas, e uma parte líquida.
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I
NFLUÊNCIA DOI
NTERVALO DES
OLIDIFICAÇÃOLigas com um grande intervalo de solidificação não
apresentam solidificação direcional, mas uma solidificação simultânea em diversos pontos da peça. Pode ocorrer uma restrição no fluxo do metal e a formação de vazios e porosidades.
Ligas com intervalo de solidificação pequeno mantém um
canal que permite o fluxo de metal até que as estruturas dendríticas se encontem.
A solidificação ideal ocorre na liga de composição
eutética.
Ligas com intervalo de solidificação intermediário podem
formar uma restrição ao fluxo do metal e a formação de vazios e porosidades, como no caso de um grande intervalo de solidificação.
I
NFLUÊNCIA DOI
NTERVALO DES
OLIDIFICAÇÃOM
ASSALOTESO uso de massalotes evita que partes volumosas da
F
UNDIÇÃO EMA
REIAÉ o processo de fundição mais utilizado.
O metal fundido flui por gravidade para dentro de um
molde de areia, onde se solidifica na forma da cavidade desse molde.
Para a retirada da peça, o molde de areia é destruído
e areia reaproveitada.
A peça obtida deve ser submetida a um processo para
a remoção do sistema de alimentação e eventualmente de massalotes.
C
ORTE DE UMM
OLDE DEA
REIAA partir do desenho da peça é confeccionado o modelo,
em geral, bipartido.
Uma parte do modelo é colocada no fundo da caixa de
moldagem inferior.
A areia é compactada sobre o modelo (a primeira
areia pode ser peneirada).
A caixa de moldagem inferior é virada para a
montagem da caixa superior.
E
TAPAS PARA A PREPARAÇÃO DE UMM
OLDE DEA
REIAÉ colocada a segunda parte do modelo, bem como os
canais de alimentação e massalotes, caso necessário.
A areia é compactada sobre o modelo na caixa de
moldagem inferior.
O molde é aberto para a retirada do modelo e o
colocação dos machos, caso necessário.
O molde é montado novamente para o vazamento do
metal fundido.
E
TAPAS PARA A PREPARAÇÃO DE UM10
S
EQUENCIA DE OPERAÇÕES PARA A PREPARAÇÃO DE UMM
OLDE DEA
REIAC
ARACTERÍSTICAS DOM
OLDE DEA
REIAOs moldes de areia devem:
Apresentar resistência mecânica suficiente para o
processo.
Suportar a ação erosiva do metal líquido.
Possuir boa permeabilidade para a saída dos gases. Gerar poucos gases quando em contato com o metal
líquido.
Ser refratários (não fundir em contato com o metal líquido).
Possuir estabilidade térmica (dimensional e
química).
M
OLDAGEMA
UTOMATIZADAP
ROJETO DOM
ODELONa fundição em areia, em geral, o modelo deve ser
bipartido para permitir a retirada do modelo do molde.
O modelo deve prever sobre-espessura para
usinagem, quando necessário.
A contração do metal também deve ser considerada
na confecção do modelo.
As paredes do modelo devem ser inclinadas para
facilitar a retirada do modelo do molde.
Deve-se evitar cantos vivos e variações bruscas nas
seções.
Quando se utilizar macho, o modelo deve prever
P
ROJETO DOM
ODELO(FUNDIÇÃO: MERCADO, PROCESSOS EMETALURGIA; GLORIA DEALMEIDASOARES; 2000)
Substituição de paredes grossas por paredes finas
e nervuradas, essa modificação pode significar economia de metal, maior leveza da peça e redução de pontos quentes.
P
ROJETO DOM
ODELOEqualização das espessuras da peça: reduz a
ocorrência de porosidade e a tendência ao trincamento na contração.
P
ROJETO DOM
ODELORedução de pontos quentes por
meio da modificação do projeto e da utilização de resfriadores.
P
ROJETO DOM
ODELORedução das tensões internas: peças com elevada
simetria tendem a concentrar mais as tensões durante o resfriamento, o que pode levar a peça a trincar.
(a) espessura
uniforme em (iii)
(b) número ímpar
de aros em (i); raios curvos em (ii) e desalinhamento axial em (iii).
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P
ROJETO DOM
ODELOF
UNDIÇÃO EMC
ASCA OUS
HELLM
OLDINGO molde é confeccionado a partir de uma mistura de
areia e resina (2,5 a 4%), que atua como aglomerante e endurece com o aquecimento.
Uma resina frequentemente utilizada é a
termoplástica fenólica onde se adiciona um agente (hexametileno tetra-amida), para produzir ligações cruzadas entre as cadeias de polímeros.
São utilizados aditivos, como o estearato de cálcio,
para melhorar a fluidez, e o óxido de ferro, para prevenir trincas térmicas.
V
ANTAGENS DOP
ROCESSO DEF
UNDIÇÃO EMC
ASCAO processo pode ser usado para produção de peças
com geometrias simples ou complexas.
A taxa de produção é superior à fundição em molde
de areia, entre 5 e 200 peças por hora.
Atinge boa precisão dimensional (±0,25 mm) e bom
acabamento superficial (rugosidade de até 2,5 µm).
Possibilidade de automação do processo e de
estocagem dos moldes.
L
IMITAÇÕES DOP
ROCESSO DEF
UNDIÇÃO EMC
ASCAAlto custo do molde metálico, o que dificulta o uso
para pequenos lotes.
Custo maior do processo, devido ao uso de resina e do
processo de cura a quente, que exige o uso de fornos para o aquecimento.
Dificuldade em manusear cascas de grande dimensão
devido a resistência mecânica, o que limita o tamanho das peças, em geral menos de 20 kg).
F
UNDIÇÃO EMC
ASCAOU
S
HELLM
OLDINGE
TAPAS DO
P
ROCESSO DEF
UNDIÇÃO EMC
ASCAA placa com o modelo metálico aquecido (200°C) é
colocada sobre uma caixa basculante contendo areia-resina-aditivos.
A caixa é basculada em 180° e a mistura, em contato
com a superfície do modelo aquecido, começa a endurecer.
Após tempo suficiente para que se forme uma casca
(aprox. 5 mm) aderida ao modelo, a caixa é novamente basculada.
E
TAPAS DOP
ROCESSO DEF
UNDIÇÃO EMC
ASCAO modelo e a casca semicurada são aquecidos (350 a
400°C) por tempo suficiente para que a cura da resina se complete.
A casca é retirada da placa com o modelo.
O molde é obtido pela junção de duas partes (cascas),
que são unidas por meio de cola, ou grampos.
O metal fundido é vazado no molde, que após a
solidificação é destruído para a retirada da peça.
F
UNDIÇÃO EMC
ASCA OUS
HELLM
OLDING14
F
UNDIÇÃO PORG
RAVIDADE EMM
OLDEP
ERMANENTEF
UNDIÇÃO PORG
RAVIDADE EMM
OLDEP
ERMANENTEO molde é permanente e, em geral, consiste em uma
matriz metálica.
O metal fundido é vazado por gravidade no molde
pré-aquecido.
Após a solidificação, o molde é aberto para a retirada
da peça fundida.
A cavidade do molde é limpa com um jato de ar
comprimido com aditivos.
Após a retirada da peça, o molde pode ser fechado e
utilizado para produzir uma nova peça.
F
UNDIÇÃO PORG
RAVIDADE EMM
OLDEP
ERMANENTEPara evitar vazios e porosidade na peça, o molde deve
prever canais para a saída dos gases (respiradouros) devido a ausência de permeabilidade do molde.
A temperatura do molde deve ser mantida elevada
para:
reduzir a amplitude do ciclo de temperatura e
prevenir a fadiga térmica;
facilitar o fluxo do metal líquido;
controlar a taxa de resfriamento do metal.
F
UNDIÇÃO PORG
RAVIDADE EMM
OLDEP
ERMANENTEVantagens do processo:
Boa precisão dimensional. Bom acabamento superficial.
Microestrutura refinada devido ao resfriamento
mais rápido do metal.
Pode ser utilizado muitas vezes (250.000 vezes).
Taxa de produção de 5 a 100 ciclos por hora. Custo do ferramental, equipamento e mão de
F
UNDIÇÃO PORG
RAVIDADE EMM
OLDEP
ERMANENTEDesvantagens do processo:
Alto custo do molde.
Limitação da vida útil do molde para fundição de
metais com alta temperatura de fusão.
Limitação na forma, do tamanho e da complexidade da peça.
F
UNDIÇÃO SOBP
RESSÃONesse processo o metal líquido é vazado sob
pressão, o que garante o preenchimento da matriz.
O molde é metálico, em geral de aço-ferramenta, e
refrigerado a água.
Podem ser usados machos de areia ou de metal
para as partes ocas.
A pressão é mantida durante a solidificação.
F
UNDIÇÃO SOBP
RESSÃOExistem dois tipos de fundição sob pressão:
de câmara fria, onde o metal é fundido em um
forno separado e transportado para a injeção no molde.
de câmara quente, onde não há necessidade de
transportar o metal líquido, pois este é fundido junto a câmara de injeção, que é preenchida automaticamente. Esse tipo é limitado a ligas com baixa temperatura de fusão (zinco, chumbo, estanho) devido ao molde metálico.
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F
UNDIÇÃO SOBP
RESSÃOVantagens do processo:
Bom acabamento superficial. Boa precisão dimensional.
Alta produtividade.
Pode processar peças com seções finas (0,5 mm) e geometrias complexas devido à pressão que garante o preenchimento da cavidade.
Microestrutura refinada devido a alta taxa de resfriamento.
É economicamente vantajoso para a produção de
grandes lotes.
F
UNDIÇÃO SOBP
RESSÃODesvantagens do processo:
Alto custo do equipamento e do molde.
Limitação a ligas não ferrosas de alta fluidez,
devido ao molde metálico.
Limitação no tamanho da peça devido ao tamanho do equipamento.
Pode haver dificuldade para a saída dos gases, o
que pode gerar porosidades.
Limitação na forma da peça para permitir a
retirada do molde.
F
UNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃOO metal líquido é vazado enquanto o molde possui
um movimento de rotação.
A força centrífuga lança o metal líquido em direção
às paredes do molde.
O processo apresenta uma microestrutura
heterogênea ao longo da espessura da parede da peça, devido a centrifugação das primeiras fases solidificadas.
F
UNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃOVantagens:
o O processo pode produzir peças de grandes
dimensões e com várias formas cilíndricas.
o Apresenta boa produtividade, com até 50 peças
por hora.
o Rendimento entre 90 e 100% do metal líquido,
devido a ausência de canais e massalotes.
o Permite a produção de tubos bimetálicos.
Limitações:
o O alto custo do equipamento. o A restrição na geometria da peça.
F
UNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃOF
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOTambém denominado fundição por cera perdida
ou microfusão.
O molde é obtido pelo revestimento de um modelo
de cera com uma argamassa cerâmica refratária.
O modelo de cera é fundido e escorre deixando
uma cavidade no molde cerâmico.
F
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOE
TAPAS DAF
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOOs modelos de cera são obtidos pelo vazamento, ou
injeção de cera fundida em um molde permanente.
Os modelos são montados no canal de vazamento,
também feito de cera (árvore).
A árvore é mergulhada em uma suspensão cerâmica
e em seguida é coberta com partículas finas de material cerâmico (zircônia, alumina), que aderem a superfície da árvore.
18
E
TAPAS DAF
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOA árvore de cera é derretida e deixa uma cavidade
no molde.
O molde é sinterizado a uma temperatura de até
1100°C para adquirir resistência mecânica e estabilidade térmica.
O metal fundido é vazado no molde.
Após a solidificação, o molde é destruído para a
retirada das peças fundidas.
V
ANTAGENS DAF
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOPode-se produzir peças com formas complexas e em
grande quantidade.
Reprodução de detalhes e paredes finas com boa
precisão dimensional e bom acabamento superficial.
Pode ser usado para metais com alto ponto de fusão
devido ao molde cerâmico.
As peças precisam de pouca usinagem posterior. Permite o controle do tamanho de grão e
solidificação dimensional.
Pode ser realizado sob atmosfera protetora, ou em
vácuo, se necessário.
L
IMITAÇÕES DAF
UNDIÇÃO DEP
RECISÃOCrescimento de grão em peças com grandes
dimensões devido a baixa taxa solidificação.
Dimensões e peso limitados devido a baixa
resistência mecânica do modelo de cera.
C
ONFORMAÇÃO PORS
PRAYTambém denominado fundição por spray ou deposição
por spray.
É realizado pela atomização do metal líquido, por
meio de um gás inerte a alta pressão, e a sua deposição em um substrato.
As gotas de metal líquido sofrem uma alta taxa de
resfriamento, o que pode levar a solidificação total, ou parcial, de algumas gotas.
As ligas apresentam:
uma microestrutura refinada devido a alta taxa de
resfriamento,
presença de fase amorfa e
C
ONFORMAÇÃO PORS
PRAYT
IXOFUNDIÇÃOUma liga de composição hipoeutética é aquecida até a
temperatura de fusão e em seguida resfriada até a zona que contem as fases líquida e sólida (pastoso).
O metal pastoso é agitado para quebrar a estrutura
dendrítica e torná-la globular.
Após a solidificação, se obtém uma liga em que a fase
primária se apresenta em forma equiaxial e distribuída homogeneamente em uma estrutura eutética.
A liga é reaquecida até a sua fusão parcial e injetada
em uma matriz em um processo de fundição sob pressão.
T
IXOFUNDIÇÃO– V
ANTAGENSEm um fluido tixotrópico a viscosidade decresce com
a ação de uma tensão cisalhante, o que facilita o preenchimento da matriz.
A peça apresenta maior homogeneidade devido a
inexistência de macrosegregação.
Menor contração do metal, por partir do estado
semissólido.
Propriedades mecânicas superiores a dos materiais
fundidos convencionalmente.
20
F
UNDIÇÃO EMM
OLDEC
HEIOTambém denominado processo de espuma perdida (lost
foam).
O molde é confeccionado de areia não aglomerada (sem
ligante).
O modelo é produzido de um material evaporável, como
o poliestireno expandido (isopor).
O modelo recebe um banho de suspensão aquosa, para
produzir uma camada que evitará o contato do metal líquido com a areia durante o vazamento.
O molde é preenchido com areia seca em torno do
modelo e colocado para vibrar para permitir a compactação da areia.
Após a solidificação o molde é virado e a areia é
separada do modelo.
F
UNDIÇÃO EMM
OLDEC
HEIOE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS–
A
PRESENTAÇÃOE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS– A
PRESENTAÇÃOE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS– A
PRESENTAÇÃOUM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS
–
M
ATERIALE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS–
M
ATERIALE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS– P
ROCESSO DEF
ABRICAÇÃO22
E
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS– P
ROCESSO DEF
ABRICAÇÃOE
STUDO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO DE UM EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS– P
ROCESSO DEF
ABRICAÇÃOMICROESTRUTURA DO FERROFUNDIDO DE ACORDO COM ATAXA DERESFRIAMENTO