Trabalho Tecnologia de Fundição PDF

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Trabalho de Tecnologia de Fundição...

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO-----------------------------------------------------------------------------------------3 1. 1.1 1.2

FUNDAMENTOS DA FUNDIÇÃO----------------------------------------------------------3 PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO----------------------------------------------------------3 DEFEITOS DE SOLIDIFICAÇÃO-----------------------------------------------------------5

2. 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4

FUNDIÇÃO EM AREIA-----------------------------------------------------------------------6 INTRODUÇÃO----------------------------------------------------------------------------------6 PROCESSO AREIA A VERDE---------------------------------------------------------------8 PROCESSOS DE MOLDAGEM EM AREIA LIGADOS QUIMICAMENTE--------8 Cura a Frio-----------------------------------------------------------------------------------------8 Processo Shell-------------------------------------------------------------------------------------9 Processo CO2/Silicato de Sódio-----------------------------------------------------------------9 Processo Caixa Fria-------------------------------------------------------------------------------9

3. 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2

OUTROS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO---------------------------------------------------10 FUNDIÇÃO DE PRECISÃO (MICROFUSÃO)--------------------------------------------10 CENTRIFUGAÇÃO----------------------------------------------------------------------------10 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO------------------------------------------------------------------11 PROCESSOS HÍBRIDOS----------------------------------------------------------------------11

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

FORNOS------------------------------------------------------------------------------------------12 INTRODUÇÃO----------------------------------------------------------------------------------12 FORNO A ARCO--------------------------------------------------------------------------------12 FORNO DE INDUÇÃO A CANAL----------------------------------------------------------13 FORNO DE INDUÇÃO A CADINHO-------------------------------------------------------13 FORNO A RESISTÊNCIA ELÉTRICA-----------------------------------------------------14 FORNO CUBILÔ--------------------------------------------------------------------------------14 CÁLCULO DE CARGA------------------------------------------------------------------------15

5.

CONCLUSÕES----------------------------------------------------------------------------------16

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS----------------------------------------------------------------16

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INTRODUÇÃO

A fundição pode ser definida como o processo de fabricação de peças metálicas que consiste em fundir um metal e derramá-lo sobre uma cavidade chamada molde que dará ao metal fundido sua forma final após sua solidificação. Os processos de fundição podem ser classificados como fundição de molde descartável e molde permanente; além disso, os processos de fundição podem ser distinguidos basicamente pelo material que constitui o molde (areia, metal, ou outro material), e o método de vazão, isto é, o modo como é realizado o enchimento do molde (gravidade, vácuo, baixa pressão ou alta pressão). Ao se fundir um metal por qualquer tipo de processo, é de grande importância garantir que o metal solidifique de forma que suas propriedades mecânicas sejam otimizadas e seja evitada a formação de defeitos como bolhas, poros e incorporação de impurezas indesejáveis.

1. FUNDAMENTOS DA FUNDIÇÃO 1.1 PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO

A solidificação de um metal fundido ocorre em duas etapas: nucleação e crescimento de grão. A nucleação ocorre quando uma partícula de um sólido é formada dentro do metal líquido. Conforme o material dentro do molde muda de estado, a sua energia interna é reduzida, pois a fase sólida é mais estável que a fase líquida a baixas temperaturas. Dessa maneira, as partículas sólidas dentro do metal fundido possuem uma energia interna menor que a do líquido ao seu redor, o que cria uma energia interfacial entre esses dois componentes. A formação dessas interfaces entre o líquido e as partículas sólidas em seu interior requer uma contribuição de energia proveniente do líquido em resfriamento. Portanto, a nucleação ocorre geralmente com o super-resfriamento do líquido (isto é, resfriamento abaixo da temperatura de fusão do material sem solidificação), o qual retorna à sua temperatura de fusão devido à liberação de calor latente (ver figura 1). Cada nucleação produz um grão, que começa a crescer conforme calor é continuamente retirado do material fundido e fornecido à fase sólida, senda essa a etapa de crescimento de grão da solidificação. Como metais de grãos pequenos possuem melhor resistência mecânica, é comum em processos de fundição promover intencionalmente a nucleação no material derretido. Para se fazer isso, geralmente são introduzidas impurezas no metal líquido antes de vazá-lo sobre o molde. Essas pequenas partículas sólidas criam diversos sítios de nucleação que promovem a formação de um fundido de grãos finos e uniformes. Essa adição intencional de impurezas é conhecida como refino de grão. Taxas de resfriamento mais rápido durante a fundição usualmente produzem produtos finais com grãos menores e resistência mecânica superior.

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Figura 1. Curva de resfriamento típica de um metal com presença de líquido super-resfriado e temperatura de fusão definida.

A quantidade de calor que deve ser retirada do fundido para solidificá-lo é diretamente proporcional à intensidade do super-resfriamento e a quantidade de metal no fundido. A capacidade do fundido de trocar calor com o ambiente é diretamente relacionada com sua superfície externa exposta e a vizinhança ao redor do material fundido. Essas observações são quantificadas na regra de Chrovinov, a qual afirma que o tempo total de solidificação pode ser calculado pela seguinte expressão (equação 1):

𝑉 𝑛

𝑡𝑠 = 𝐵 ( ) 𝐴

(1)

Onde ts é o tempo de solidificação, V é o volume do solvente, A é a área específica, B é a constante do molde, uma constante empírica que depende das características do metal sendo fundido (densidade, capacidade calorífica e calor de fusão), do material do molde (sua densidade, condutividade térmica e capacidade calorífica) e da espessura do molde, e o expoente n é um valor entre 1,5 e 2.

1.2 DEFEITOS DE SOLIDIFICAÇÃO

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Durante a fundição muitos defeitos podem ocorrer devido a reações entre o metal derretido e sua vizinhança. Metal fundido e oxigênio tendem a reagir entre si para formar óxidos que podem ser carregados junto com o metal derretido durante o preenchimento do molde. Esse material, que é chamado de escória, pode ficar aprisionado no fundido e comprometer o acabamento superficial, a usinabilidade e as propriedades mecânicas. Os defeitos de escória podem ser controlados utilizando-se fluxos protetores para cobrir e proteger o material líquido durante sua fusão, ou realizando-se a fusão e a vazão a vácuo. Outro defeito recorrente durante processos de fundição é o aparecimento de bolhas de gases na estrutura do metal. Quando os metais solidificam com a redução de sua temperatura, a solubilidade do gás na estrutura sólida reduz drasticamente e as moléculas gasosas rejeitadas frequentemente formam bolhas dentro do fundido (ver figura 2). Medidas preventivas muito usadas para combater o aparecimento de bolhas é o uso de fluxos protetores e a fusão a vácuo. Além disso, a vazão cuidadosa e controlada do metal líquido sobre o molde diminui a turbulência do fluxo de metal derretido, evitando-se assim o contato entre metal derretido e ar. Outras técnicas tentam remover o gás do metal derretido antes da vazão. O uso de vácuo sujeita o metal fundido a um ambiente de baixa pressão. Sob essas condições, a quantidade de gás reduz à medida que o sistema tenta alcançar um equilíbrio com sua nova vizinhança, o que pode ser quantificado pela lei de Sievert (equação 2), que possui a forma da expressão à seguir:

𝐶𝑔 = 𝐾 √𝑃𝑔

(2)

Onde Cg é a solubilidade de um gás em um metal, K é a constante da reação de dissociação da molécula de gás e Pg é a pressão parcial do gás. Outro método eficiente para se remover o gás dissolvido consiste em passar pequenas bolhas de gás inerte ou reativo através do metal líquido. Bolhas de nitrogênio, por exemplo, são bastante eficientes para remover hidrogênio do alumínio fundido. Para se evitar o aparecimento de bolhas, pode-se ainda reagir o gás dissolvido no metal com algo que produza um composto de baixa densidade. Esses compostos flutuam para a superfície e podem ser removidos junto com as escórias. Oxigênio pode ser removido do cobre pela adição de fósforo. Aços podem ser desoxidados pela adição de alumínio ou silício. Os óxidos de alumínio, silício e fósforo resultantes dessas reações podem então ser removidos da superfície do metal fundido[1].

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Figura 2. Solubilidade do gás hidrogênio no alumínio. A solubilidade do hidrogênio no alumínio é reduzida bruscamente quando o alumínio muda do estado líquido para sólido.

2. FUNDIÇÃO EM AREIA 2.1 INTRODUÇÃO

Para se fabricar peças fundidas em areia é necessário confeccionar um modelo (molde) do qual serão feitas cópias em areia originando os moldes de fundição. Os moldes de areia são as cavidades positivas ou negativas em uma placa de madeira, de resina ou metálica de onde são tiradas cópias em areia para posterior fundição. Para a confecção do molde devem-se levar em consideração os seguintes fatores: plano de Divisão; ângulo de Saída; raios de arredondamento; acréscimo de usinagem; acréscimo de contração; marcação de macho, emplacamento, sistema de enchimento e Alimentação, Dispositivos) Quando se projeta ou confecciona-se uma ferramenta de fundição com certo grau de complexidade, torna-se necessária a divisão da peça em partes. O plano de divisão deve ser o mais adequado em função da importância e das especificações da peça. Esse plano deve facilitar a extração do molde, favorecer uma pequena quantidade de partes, aumentar a estabilidade do macho e facilitar a saída de gases do molde.

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Figura 3. Plano de divisão de uma peça.

O ângulo de saída é a inclinação colocada nas paredes perpendiculares ao plano de divisão da peça a fim de facilitar a extração do modelo. Caso não seja feita uma perfeita adaptação da forma deste modelo, haverá quebra de bolos de areia durante a extração.

Figura 4. Dois modelos de areia: um com um ângulo de saída correto e outro com um ângulo de saída inapropriado.

A Contração é uma diminuição de volume que as peças fundidas sofrem ao solidificarem-se, pois no momento do vazamento o metal ocupa toda a cavidade deixada pelo modelo, e este ao resfriar contrai-se diminuindo o volume final da peça fundida. Para confecção de moldes em fundição o processo mais utilizado é a moldagem em areia onde se mistura areia com um aglomerante para se obter uma cópia fiel do modelo e um molde resistente para a fusão do metal liquido dentro dele. A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistência mecânica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). Da areia destinada à fabricação de machos espera-se, além dos requisitos exigidos para a areia de moldagem, baixa colapsibilidade, definida como a perda de resistência da areia após o início da solidificação da peça. Areias e aglomerantes devem ser criteriosamente escolhidos para garantir a reprodutibilidade das propriedades dos moldes.

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2.2 PROCESSO AREIA VERDE Esse é o processo de confecção de moldes mais utilizado para fundição. Consiste em produzir moldes utilizando mistura preparada com areia de retorno, areia base, argila e os aditivos necessários, devidamente balanceados para atender às aplicações específicas. Alguns dos componentes da mistura do processo areia verde são areia de sílica, bentonita, pó de carvão, amido e dextrina. A bentonita é um material lamelar, composto essencialmente de silicato de alumínio hidratado, utilizado como aglomerante da mistura do processo areia verde, sendo mais utilizado o tipo montmorilonítico (o principal argilo-mineral da bentonita). A bentonita, de modo geral, apresenta boa moldabilidade e desmoldabilidade, elevada durabilidade e baixa tendência a defeitos de fundição. São usualmente adicionados à mistura de areia verde os formadores de carbono vítreo com a finalidade principal de gerar carbono vítreo (a aproximadamente 800 ºC) durante o vazamento do metal, que, por sua vez, evita principalmente a sinterização de areia e melhora o acabamento superficial das peças, sendo que o pó de carvão mineral (tipo Cardiff) é o mais utilizado nas fundições brasileiras. Os aditivos amiláceos se dividem em dois tipos: amidos de milho e dextrina. Os amidos de milho são previamente gelatinizados, são um aditivo orgânico, utilizados com a finalidade principal de fornecer plasticidade à mistura e manter sua umidade. A dextrina, por vez, é pouco utilizada, sendo um produto obtido pela conversão termoquímica do amido de milho, utilizado com a finalidade principal de fornecer maior resistência mecânica e à temperatura em moldes estufados e/ou secados superficialmente. 2. 3 PROCESSOS DE MOLDAGEM EM AREIA LIGADOS QUIMICAMENTE 2.3.1 Cura a Frio É um processo de obtenção de machos e moldes, utilizando uma mistura constituída de areia base, resina e catalisador, que cura a temperatura ambiente. As variáveis de utilização desse processo são tempo de cura, tempo para extração do modelo ou macho, tempo para vazamento. As vantagens desse processo são: grande variedade bases de areia que podem ser usadas, baixo investimento em equipamentos, facilidade de confecção dos moldes e machos, boa estabilidade dimensional do molde e dos machos, bom acabamento superficial,

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versatilidade para machos e moldes pequenos e grandes, boa colapsibilidade, facilidade na estocagem e manuseio, necessidade de poucos controles de laboratório, facilidade de limpeza da peça. As desvantagens desse processo são: geração de resíduos tóxicos para o meio ambiente, vida de bancada limitada, tempo de cura para o vazamento longo, maior custo da areia preparada.

2.3.2 Processo Shell É um processo de cura a quente para a fabricação de moldes e machos em casca. Utiliza areias misturadas ou revestidas com resina, conversor, lubrificante e aditivo, que em contato com as ferramentas aquecidas, promove a polimerização da resina, proporcionando a aglomeração da areia. As variáveis de utilização desse processo são: tempo e pressão de sopro, temperatura do ferramental (180 a 300 ºC), tempo de investimento, tempo de balanço e tempo de cura. As vantagens desse processo são: excelente acabamento superficial, excelente estabilidade dimensional, menor custo de rebarbação, baixa relação areia/metal e alta permeabilidade dos moldes e machos. As desvantagens são: alto custo das ferramentas, limitação quanto ao tamanho das peças, custo no descarte. 2.3.3 Processo CO2/Silicato de Sódio O processo consiste na mistura de areia base, silicato de sódio e aditivos que servem para a confecção de moldes e machos. Após a preparação da mistura esta é colocada no interior da caixa de macho ou molde e então é realizada a passagem de gás CO2 que vai curar (endurecer) a mistura. O macho ou molde pode ser extraído e usado imediatamente na fundição. As vantagens desse processo são: baixo custo da matéria-prima, boa precisão dimensional, cura a temperatura ambiente. Suas desvantagens são: Colapsibilidade e alta desmoldabilidade. 2.3.4 Processo Caixa Fria É um processo de moldagem onde o molde é endurecido na temperatura ambiente através da gasagem de um catalisador gaseificado seguido de uma lavagem com ar seco. Este processo está em constante crescimento, substituindo o processo shell. Suas vantagens são:

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baixa colapsibilidade, boa precisão dimensional, boa produtividade, possibilidade de utilização imediata do macho em função de já ter alta resistência na extração, bom acabamento superficial, menor consumo de energia e boa escoabilidade da mistura. Suas desvantagens são: necessidade de exaustão no ambiente de trabalho, alto custo de aglomerantes e de catalisador, alto custo do equipamento, menor vida de banca, necessidade de maiores controles de temperatura e umidade no sistema[2] . 3. OUTROS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO 3.1 FUNDIÇÃO DE PRECISÃO (MICROFUSÃO)

Esse é um dos processos de fundição com maior aporte tecnológico. Suas etapas consistem na fabricação do modelo em cera, revestimento do modelo, estufagem (100 a 120ºC por 24 a 48 h) e calcinação do modelo (650 a 1000ºC por 12 horas). A partir desse processo são produzidas palhetas de turbina, componentes de armas e próteses, tendo como principais materiais empregados aços, aços especiais e ligas de níquel e de titânio, maximizando a resistência a fluência. O molde é feito a partir do revestimento do modelo com lamas cerâmicas que possuem elevada refratariedade. Devido à baixa permeabilidade desses moldes, usa-se o vazamento CLA (Counter-gravity Low-pressure Casting) que consiste na sucção do metal através da diminuição da pressão ao redor do molde. Além de um melhor preenchimento das seções finas, os canais são reduzidos a uma seção mínima do canal de ataque, já que o restante retorna à panela. 3.2 CENTRIFUGAÇÃO Método utilizado para fabricação de tubos de ferro fundido nodular para transporte de água e esgoto, sem costura e elevada produtividade. O processo consiste no vazamento do metal num molde que gira a até 2000 rpm, onde a força centrífuga faz com que o metal não escorra e tenha uma macroestrutura colunar livre de defeitos. Na área de n ão-ferrosos, a centrifugação é também empregada para a produção de buchas e mancais em liga de cobre.

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Figura 5. Produção de tubos sem costura por centrifugação.

3.4 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Método restrito a materiais não-ferrosos de baixo ponto de fusão. Consiste na injeção do metal fundido em um molde, produzindo peças de paredes finas, apresentando excelente acabamento e boa tolerância dimensional. Na câmara fria o metal é transferido da panela para a máquina.

Figura 6. Máquina de injeção do tipo câmara fina.

3.4 Processos Híbridos São processos que unem fundição e conformação mecânica e possibilitam a fabricação de peças com elevada resistência de seções mais finas e com quase total ausência de defeitos.

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No método de processo “squezze casting” é exercida pressão sobre o metal durante sua solidificação, garantindo uma peça com maior densidade do que o fundido convencional. Pistões, rodas e flanges em liga de alumínio são alguns exemplo de peças fabricadas por meio desse processo. O método de processo “semisolid forging” destina-se a produção de peças que dispensam acabamento e consiste na agitação do liquido no inicio da solidificação (a fim de quebrar a estrutura dendrítica), e no aquecimento do bloco solidificado para forjamento da peça[3]. Estes métodos produzem peças com maiores resistência e ductilidade.

Figura 7. Etapas de Fabricação de uma Peça por "Semisolid Forging"

4.

FORNOS

4.1

INTRODUÇÃO Os fornos empregados para a fusão de metais e suas ligas em função do tipo de

aquecimento podem ser classificados em fornos elétricos (a arco, de indução, de resistência elétrica) e fornos a combustível (carvão, óleo combustível, GLP, gás natural). Estes fornos podem ser do tipo cuba (alto forno; cubilô), reverberação ou rotativo, ou de cadinho (cadinho com aquecimento externo). 4.2

FORNO A ARCO O forno a arco (o arco é formado entre os eletrodos e o calor irradiado para a carga) é

pouco utilizado devido ao auto custo dos eletrodos nele presentes e sua maior aplicação é em aciarias para fabricação de grandes quantidades de aço a partir de sucata (pelo processo ácido ou básico) e em fundições de grande porte. (Figura 2)