Fundição

Fundição

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0655 - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA

Cópia das transparências sobre: FUNDIÇÃO

Prof. Demarchi

Capítulo 1 – FUNDIÇÃO

1.1 – INTRODUÇÃO

Transformação dos metais e suas ligas em peças de uso industrial tendo como ponto de partida o metal líquido ou fundido Öderramamento do metal no interior de uma cavidade ou forma, chamada molde.

Molde Ö pode corresponder à forma final da peça desejada ou pode sofrer posteriores tratamentos de conformação no estado sólido até chegarmos às dimensões desejadas.

Cavidade no molde Ö “negativo” da peça.

1.2 – SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS NO INTERIOR DOS MOLDES

Transição do estado líquido para o sólido Ö pode levar ao surgimento de heterogeneidades, que se não controladas podem provocar defeitos e rejeição das peças.

1.2.1 – Cristalização

Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como núcleos para o posterior crescimento dos cristais, dando origem aos grãos definitivos e à estrurura granular típica dos metais.

Crescimento dos cristais Ö não ocorre de maneira uniforme Övelocidade depende da direção dos eixos cristalográficos Öno interior do molde, depende da proximidade das paredes, que vai determinar também a velocidade de resfriamento.

Desenvolvimento e expansão de cada núcleo de cristalização origina um tipo de cristal chamado de dendrita Öcrescimento das dendritas ocorre até se encontrarem com as dendritas vizinhas, originando os grãos e os contornos de grãos, formando a massa sólida.

Figura item (b) Ö solidificação no interior de um molde metálico prismático, chamado de lingoteira, originando o lingote Öinício nas paredes Ö cristais tendem a crescer mais rapidamente na direção perpendicular às paredes do molde Ö estruturas colunares típicas, que se encontram em planos diagonais Öplanos de maior fragilidade, podendo originar fissuras nos processos de conformação posteriores Ö emprego de cantos arredondados.

1.2.2 – Contração de volume

Durante a solidificação ocorrem 3 tipos de contrações: Öcontração líquida – devido à diminuição da temperatura até o início da solidificação. Öcontração de solidificação – variação de volume durante a mudança do estado líquido para o sólido. Öcontração sólida – variação de volume já no estado sólido (da temperatura de fim de solidificação até a ambiente)

Pode ser expressa em % de volume ou linearmente (no caso da contração sólida).

Contração sólida Ö deve ser considerada no projeto do modelo Ö depende da liga utilizada.

Exemplos de contração linear: Öaços fundidos: de 2,18% a 2,47% (menor para teores mais altos de C) Öferros fundidos: de 1 a 1,5% (cinzento = 1% ; nodular = 1,3 a 1,5%) Öníquel e ligas cobre-níquel: de 8 a 9%

A contração provoca uma heterogeneidade chamada de vazio ou chupagem.

Os vazios podem ficar localizados na parte interna das peças, próximos à superfície, porém invisíveis externamente.

Contração pode provocar: Ödefeitos internos (vazios) Ötrincas a quente Ötensões residuais

Estes problemas podem ser controlados através de: Öprojeto da peça Ötratamentos de alívio de tensões Öprojeto do molde

Projeto do molde: ÖLingoteira: utilização de uma peça postiça (de material refratário) no topo da lingoteira Öchamada “cabeça quente” ou “massalote” ÖMaterial refratário retém o calor por um tempo mais longo e corresponderá à região que solidificará por último, concentrando o vazio nesta região, que será posteriormente eliminada do lingote.

ÖMolde de peças: utilização de um “alimentador” Öentrada do metal líquido através de canais é feita numa seção mais ampla, que alimenta as menos espessas Ö alimentador ficará com excesso de metal líquido, concentrando o vazio nesta região, que será eliminada posteriormente.

1.2.3 – Concentração de impurezas

Impurezas nas ligas apresentam comportamento diferente se a liga estiver no estado líquido ou no sólido: Ölíquido: impurezas totalmente dissolvidas, homogêneas. Ösólido: menos solúveis (ex. P e S nas ligas ferrocarbono), ficando acumuladas nas regiões em que a solidificação ocorreu por último Ö segregação Öcomposição química não uniforme Ö propriedades mecânicas diferentes em certas regiões.

1.2.4 – Desprendimento de gases

Mais comuns nas ligas ferro-carbono Ö Oxigênio dissolvido na liga tende a se combinar com o carbono, formando CO2, facilmente eliminado se a liga estiver no estado líquido.

Porém, conforme a viscosidade aumenta durante a solidificação, este gás tende a ficar retido na peça, formando bolhas (vazios). ÖAdição ao metal líquido de “desoxidantes”, alguns tipos de ferro-ligas (tais como ferrosilício, ferro-manganês) ou alumínio Ö Oxigênio reage preferencialmente com estes elementos, formando óxidos

1.3 – PROCESSOS DE FUNDIÇÃO

ÖFundição por gravidade ÖFundição sob pressão ÖFundição por centrifugação ÖFundição de precisão

Etapas dos processos de fundição: • Projeto da peça

• Projeto do modelo

• Confecção do modelo (modelagem ou modelação)

• Vazamento no molde

• Limpeza e rebarbação

1.3.1 – Projeto da peça

No projeto de uma peça a ser fundida, devem ser considerados os fenômenos que ocorrem na solidificação do metal no molde, para que eventuais defeitos sejam evitados. A princípio, considerar:

• Espessura de paredes e regiões de difícil preenchimento

ÖEvitar variações bruscas de seções e cantos vivos:

ÖConsiderar uma espessura mínima de paredes

• Paredes muito finas não são bem preenchidas com o metal líquido.

• Maior velocidade de resfriamento pode originar regiões de maior dureza

ÖEvitar fissuras de contração do metal durante a solidificação

ÖPrever conicidade para melhor confecção do molde, considerando os ângulos de saída recomendados (de 1° a 3°)

1.3.2 – Projeto do modelo

Os modelos são fabricados em: • Madeira (cedro, imbuia, peroba, pinho, compensado)

• Resina

Podem ser em peça única (para peças grandes) ou montados em placas (para produção seriada e de peças pequenas, facilitando o uso de máquinas de moldar)

Devem ser considerados:

ÖContração do metal ao solidificar, ou seja, o modelo deve ser maior que a peça. Os valores dos acréscimos dependem do metal ou liga a ser fundido. Exemplos:

Ö Eliminar rebaixos e detalhes que dificultam a moldagem.

Ö Acrescentar sobremetal para posterior usinagem de acabamento. Exemplos:

Ö Verificar a divisão do modelo.

• Linha divisória ou linha de partição representa a linha que divide as partes que formam a cavidade superior e a cavidade inferior do molde.

• Deve-se objetivar uma linha divisória reta, ou seja, um único plano que divida o modelo em suas seções superior e inferior

Ö Considerar o volume de produção, para a escolha do material do modelo e de sua montagem em placa ou não.

Ö Determinar a localização dos machos.

Macho: corresponde às cavidades que são necessárias nas peças fundidas (principalmente orifícios). Sua função no molde é, ao contrário do modelo em si, formar uma seção cheia onde o metal não penetrará, de modo que a peça apresente um vazio naquela região.

O modelo deve prever partes salientes que permitam a montagem dos machos no molde. Exemplo:

Ö Prever a colocação dos canais de vazamento.

1.3.3 – Confecção do molde ou moldagem

Molde: é o “recipiente” que contém em seu interior a cavidade ou as cavidades com a forma da peça que será fundida, dentro da(s) qual(is) será vazado o metal líquido.

A etapa de moldagem permite distinguir os vários processos de fundição:

• Moldagem em molde de areia ou temporário por gravidade: Areia verde

• Moldagem em molde metálico ou permanente Por gravidade

• Fundição de precisão Em casca

1.3.3.1 – Moldagem em areia

Requisitos do molde: • Resistência para suportar o peso do metal líquido

• Facilitar a saída dos gases gerados para a atmosfera

Caixa de moldagem: estrutura, geralmente metálica, com resistência suficiente para suportar o socamento da areia na operação de moldagem, bem como a pressão do metal líquido durante a fundição. Normalmente construída em duas partes:

Possuem pinos e orelhas para a centragem das partes da caixa e da placa do modelo.

Moldagem em areia verde: consiste em compactar (manualmente ou com máquina de moldar) uma mistura refratária chamada areia de fundição (composta de areia silicosa, argila e água) sobre o modelo colocado ou montado na caixa de moldar.

15 Seqüência de operações na fundição em areia verde

Areia de fundição:

Principais características: plasticidade e consistência, moldabilidade, dureza, resistência, refratariedade, etc.

Componentes:

• Areia: é o constituinte básico, em que devem ser consideradas a pureza, granulometria (tamanho de grãos, distribuição granulométrica e porcentagem de finos), dureza, forma dos grãos, integridade dos grãos, refratariedade, permeabilidade e expansibilidade.

• Argila: aglomerante usual nas areias de fundição sintéticas (especialmente preparadas).

• Carvão moído: eventualmente usado para melhorar o acabamento superficial das peças.

• Dextrina: aglomerante orgânico usado para dar maior resistência mecânica à areia quando seca em estufa.

• Farinha de milho gelatinizado (Mogul): melhora a trabalhabilidade da areia.

• Breu em pó: aglomerante, que dá principalmente à areia seca, grande resistência mecânica.

Composição típica de areia sintética de fundição: Partes em peso: areia Ö100 argila Ö20 água Ö4

Para a confecção dos machos, as areias devem apresentar alta resistência depois de secas em estufas (“estufadas” entre 150 e 250°C), alta dureza, alta permeabilidade e inalterabilidade. Seus componentes, além da areia e água, incluem vários tipos de aglomerantes: silicato de sódio, cimento portland, resinas piche, melaço, farinha Mogul, óleos, etc.

A moldagem em areia verde pode ser feita manualmente (com socador manual ou pneumático) ou mecanicamente (com máquinas de compressão, de impacto, compressão vibratória, sopragem ou projeção centrífuga).

Moldagem em areia seca ou em molde “estufado”

Neste caso, a areia deve conter aditivos orgânicos para melhorar suas características. A secagem é feita em estufas entre 150°C e 250°C.

Vantagens do molde estufado: • Maior resistência à pressão do metal líquido

• Maior dureza

Moldagem em areia-cimento

Vantagens semelhantes às dos moldes estufados e empregada para peças médias e grandes.

Composição típica da areia de moldagem: Porcentagens em peso: areia silicosa Ö82% cimento portland Ö10% água Ö8%

Os moldes são confeccionados em areia aglomerada com silicato de sódio (2,5 a 6,0% em peso). Depois de compactados, são submetidos a um tratamento com CO2, que consiste na passagem de um fluxo deste gás através de sua seção Ö reação entre o CO2 e o silicato de sódio formando sílica-gel, carbonato de sódio e água, resultando num endurecimento do molde em tempo relativamente curto Ödispensa-se o tratamento em estufa, obtendo-se resistência e durezas elevadas.

1.3.3.3 – Moldagem em molde metálico

1.3.3.3.1 – Molde permanente por gravidade Mais conhecido: fundição de lingotes. Moldes = lingoteiras

Normalmente, o vazamento do metal é feito pela parte superior da lingoteira, porém, são usadas também ligoteiras com enchimento pelo fundo através de canais de vazamento.

Moldes permanentes mistos: parte metálica do molde é chamada de coquilha e o material que se solidifica mais rapidamente nessa seção adquire uma camada mais dura e de alta resistência ao desgaste.

Molde permanente por gravidade também é utilizado para vários outros tipos de peças: o molde é composto de duas ou mais partes que, quando fechadas, formam a cavidade correspondente à forma da peça desejada.

Vantagens (em relação a peças produzidas em molde de areia: - maior uniformidade - melhor acabamento superficial

- tolerâncias dimensionais mais estreitas

- melhores propriedades mecânicas.

Desvantagens: - limitado a peças pequenas - custo elevado do molde (alto volume de produção) - formas complexas dificultam o projeto do molde (extração da peça)

1.3.3.3.2 – Fundição sob pressão

Metal líquido é forçado (sob pressão) a entrar na cavidade do molde, chamado neste caso de matriz (metálica, permanente).

Permite a fabricação de peças mais complexas e de paredes mais finas que os processos por gravidade.

Matriz pode ser fria ou aquecida à temperatura de vazamento; possui canais para saída de ar e para garantir o total preenchimento das cavidades. A pressão é mantida até o final da solidificação. Após abertura da matriz e expulsão da peça, procede-se à limpeza e lubrificação da matriz, preparando-a para o próximo ciclo.

Vantagens: • Produção de formas mais complexas;

• Produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas;

• Permitem aplicação de revestimentos superficiais com pouco preparo prévio da superfície;

• Algumas ligas, como as de alumínio, apresentam maiores resistências que se fundidas am areia.

Desvantagens:

• Dimensões das peças são limitadas (normalmente <5kg);

• Ar retido no interior da matriz pode causar porosidades nas peças;

• Equipamento e acessórios de alto custo, sendo viáveis apenas para altos volumes de produção;

• Processo só é empregado para ligas cujas temperaturas de fusão não são superiores às das ligas à base de cobre.

Exemplos:

Máquinas para fundição sob pressão:

ÖCâmara quente: se o metal a ser utilizado funde a temperatura baixa e não ataca o material do cilindro e pistão de injeção, este pode ser colocado diretamente no banho de metal líquido.

ÖCâmara fria: caso em que o material fundido ataca o sistema de pressurização (cilindro e pistão). A câmara de pressão possui um orifício de vazamento e o contato com o metal líquido ocorre apenas no momento do vazamento. Empregada para ligas de alumínio, magnésio e cobre.

1.3.3.4 – Fundição por centrifugação

O metal líquido é vazado num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origina uma pressão que força o metal de encontro às paredes do molde, onde solidifica.

Características: • Molde metálico cilíndrico montado em roletes;

• Alimentação através de calha e panela de fundição;

• Sistema horizontal ou vertical.

1.3.3.5 – Fundição de precisão

Utiliza-se um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refratária que endurece à temperatura ambiente ou mediante aquecimento adequado Ö uma vez endurecida esta pasta refratária, o modelo é consumido ou inutilizado Öcasca endurecida que constitui-se no molde propriamente dito Öapós vazamento da peça, o molde também é inutilizado.

Vantagens:

• Produção em massa de peças com geometrias complexas;

• Grande precisão dimensional;

• Excelente acabamento superficial;

• Grande variedade de materiais que podem ser fundidos por este processo;

• Controle das propriedades mecânicas através do controle da solidificação;

• Possibilidade de utilização de atmosfera protetora ou vácuo.

Limitações:

• Devido à capacidade dos equipamentos e investimentos em ferramental, as dimensões e peso das peças são limitados (<5kg).

Processo de cera perdida

Etapas: 1. Injeção da cera na matriz para fabricação dos modelos. 2. Ligação dos modelos a um canal central. 3. Grupo de modelos é colocado num recipiente. 4. O recipiente é preenchido com uma pasta refratária (chamada de investimento). 5. Aquecimento provoca o endurecimento do molde e o derretimento dos modelos de cera. 6. Vazamento do metal no molde por gravidade, sob pressão, a vácuo ou com auxílio de centrifugação. 7. Quebra do molde e retirada das peças. 8. Separação das peças do canal central e esmerilhamento ou lixamento.

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