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Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado

Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó)

Profa. Izabel Machado

Índice 1. Fundição 1.1. Solidificação de Metais e Ligas 1.1.1 Temperatura de vazamento. 1.1.2 Taxa de resfriamento. 1.1.3 Fluidez 1.1.4 Características do escoamento. 1.1.5 Contração de solidificação. 1.1.6 Transferência de calor no molde. 1.1.7 Tempo de solidificação. 1.2 Defeitos em peças fundidas. 1.3 Processos de fundição. 1.3.1 Fundição utilizando moldes de areia. 1.3.2 Fundição em casca (Shell-mold). 1.3.3 Fundição utilizando cera perdida. 1.3.4. Fundição por centrifugação. 1.3.5 Fundição a vácuo. 1.3.6 Fundição utilizando moldes permanentes. 1.3.7 Fundição sob pressão. 1.3.8 Fundição contínua. 1.3.9 Outros processos. 2. Metalurgia do Pó (Sinterização).

1. Fundição 1

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Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica, no estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas ou não. Em muitos casos após a fundição, a peça é usinada para serem feitos ajustes dimensionais ou mesmo conformada mecanicamente (por exemplo, ser forjada), para que as formas e dimensões finais sejam obtidas. A figura 1 ilustra o processo de vazamento de metal no estado líquido em um molde.

Figura 1. Processo de fundição. Vazamento de metal líquido em molde.

Em muitos casos os processos de fundição apresentam algumas vantagens em relação a outros tipos de processos de fabricação, como no caso da produção de peças complexas e com cavidade internas, como pode ser observado na figura 2, ou na produção de peças muito grandes. Por outro lado, as propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente. Além disso, durante o processo de solidificação pode haver formação de porosidade.

Os fatores que devem ser considerado para se escolher adequadamente o processo de fabricação são: 1. Quantidade de peças a produzir. 2. Projeto da fundição. 3. Tolerâncias requeridas. 4. Grau de complexidade. 5. Especificação do metal. 6. Acabamento superficial desejado. 7 Custo do ferramental. 8. Comparativo econômico entre usinagem e fundição. 9 Limites financeiros do custo de capital. 10 Requisitos de entrega.

Figura 2. Peças produzidas por fundição.

O material com o qual vai ser produzida a peça no processo de fundição parte do estado líquido. Logo aspectos relacionados com a solidificação de metais e ligas devem ser considerados. Esses aspectos são relacionados no próximos item. 1.1. Solidificação de Metais e Ligas

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O processo de fundição envolve: 1. Fusão do metal ou liga. 2. Vazamento em um molde. 3.

Solidificação da peça. 4. Remoção do metal ou liga solidificado do molde. Algumas considerações importantes devem ser feitas com respeito ao escoamento do metal líquido na cavidade do molde, o qual é influenciado pela temperatura de vazamento; taxa de resfriamento; fluidez; existência de turbulência; contração de solidificação; transferência de calor no molde; características do lingote (ou molde); que dependem do processo de fundição (item 1.3). A figura 3 ilustra a solidificação de um metal junto à parede do molde. A figura 4 ilustra os tipos estruturas de grãos que podem ser formar durante a solidificação de lingotes. Normalmente a estrutura de solidificação é dendrítica.

Figura 3. Solidificação de metal junto à parede do molde e interface sólido líquido.

Figura 4. Ilustração esquemática da solidificação de lingotes.(a) metais puros, (b) soluções sólidas e (c) adição de inoculantes. A estrutura típica de um material fundido é a presença de dendritas, que são ilustradas na figura 5.

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Crescimento da dendrita a partir de (a).

Dendritas de um lingote de aço (estrutura real).

Figura 5. Estrutura dendrítica. Ilustração esquemática e real.

1.1.1 Temperatura de vazamento.

Um metal apresenta uma temperatura de fusão bem definida, isto é, ele inicia e termina o processo de solidificação em uma temperatura bem determinada. Já as ligas apresentam uma temperatura onde se inicia o processo de solidificação e uma temperatura onde termina esse processo. Isso é ilustrado na figura 6 para o sistema cobre-níquel. Dentro da faixa de temperaturas em que ocorre a solidificação para uma liga existe sempre uma mistura de sólido e líquido. A temperatura de vazamento dever ser estar sempre acima da temperatura onde existem 100% de líquido (superaquecimento). O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.

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Figura 6. Curvas de resfriamento ideais para o sistema Cu-Ni.

1.1.2 Taxa de resfriamento.

A taxa de resfriamento tem efeito no desenvolvimento da estrutura do fundido, como mostra a figura 7. O critério que descreve a cinética da interface sólido-líquido é dado por G/R, onde G é o gradiente térmico e R é a taxa que a interface sólido-líquido se movimenta. Valores típicos de G são 102 a 103 K/m e para R valores que vão de 10-4 a 10-3 m/s. Estruturas dendríticas apresentam valores de G/R entre 105 e 107. Já para as frentes planas de solidificação, estes valores estão entre 1010 e 1012.

Figura 7. Ilustração esquemática de frentes de solidificação (a) dendrítica colunar, (b) dendrítica equiaxial e (c) equiaxial.

1.1.3 Fluidez

A capacidade de o metal líquido preencher as cavidades do molde é chamada de fluidez. A fluidez depende de características do metal e de parâmetros utilizados na fundição. No que se refere ao metal, a fluidez depende da viscosidade, tensão superficial, inclusões e padrão de solidificação da liga. No que se refere aos parâmetros de fundição, a fluidez depende do projeto do molde, material do molde e de seu acabamento superficial, grau de superaquecimento, taxa de vazamento e transferência de calor. A figura 8 ilustra dispositivo para teste de fluidez.

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Figura 8. Teste de fluidez. A fluidez é medida pela distância que o metal percorre antes de se solidificar.

1.1.4 Características do escoamento. A figura 9 ilustra o sistema por onde o metal líquido flui durante o processo de fundição.

Figura 9. Funil de vazamento (pouring cup), massalote ou alimentador (riser), canal de alimentação (runner), canal de descida (sprue), canal de entrada (gate) , fundido (casting).

O escoamento de metais e ligas líquidos superaquecidos é semelhante entre si e semelhante ao da água. É importante que o sistema de canais seja projetado de forma a reduzir a turbulência.

Isso pode ser quantificado pelo número de Reynolds ( Re=v.d/ onde v é a velocidade do fluxo, d é o diâmetro hidráulico do canal e é a viscosidade cinemática do líquido, que é dada pela viscosidade dinâmica dividida pela densidade do líquido. O valor de d é dado por al transversseção da perímetro canal do al transversseção da área x 4 ). Para Re até aproximadamente 2000 o fluxo é laminar. Para valores de Re entre 2000 e 20000 o fluxo apresenta uma mistura entre laminar e turbulento e acima

Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado de 20000, o fluxo é severamente turbulento. Para a maioria dos casos reais o fluxo se aproxima do turbulento. Isso permite que ocorram mais reações do metal líquido com formação de gases, o que não é bom, pois pode haver formação de bolhas. Essas bolhas de gás podem ficar presas e constituírem defeitos nas peças fundidas.

1.1.5 Contração de solidificação.

A maioria dos metais comercialmente utilizados apresenta contração durante o processo de solidificação. Isso deve ser levado em conta na fabricação do molde, o que será discutido posteriormente. Para compensar essa contração existe no projeto do molde a adição de um recipiente para o metal líquido chamado de massalote. Esse massalote é a última parte a se solidificar e concentra a contração de solidificação. O massalote é retirado da peça após a solidificação e desmoldagem, sendo sucateado. A figura 10 ilustra o fenômeno de contração. A tabela 1 apresenta algumas variações de volume durante a solidificação.

Figura 10. Ilustração esquemática do fenômeno de contração durante a solidificação.

Tabela 1. Variação de volume durante a solidificação. A maioria dos materiais metálicos apresenta redução de volume (-), mas ou apresentam expansão (+).

MetalVariação de volume

Alumínio -6,0

Magnésio -4,1 Cádmio -4,0

Ferro -3,0

Estanho -2,3

Antimônio +0,95

Gálio +3,2

Bismuto +3,35 Germânio +5,0

1.1.6 Transferência de calor no molde.

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