apostila fundição cap.4

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Capítulo 4 Etapas Básicas da Fundição por Areia A fundição em areia é a mais usada, não só na produção de peças de aço e ferro fundido, porque os moldes de areia são os que suportam melhor as altas temperaturas de fusão desses dois metais, mas também para a produção de peças de ligas de alumínio, latão, bronze e magnésio. O processo em areia, particularmente a moldagem em areia verde é o mais simples e mais usado nas empresas do ramo. A preparação do molde, neste caso, consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de moldar. Processo Básico de Fundição: Esse processo segue as seguintes etapas: • A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo, coberto com talco ou grafite para evitar aderência da areia, é então colocado no fundo da caixa. A areia é compactada sobre o modelo manualmente ou com o auxílio de marteletes pneumáticos.

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Page 1: Apostila fundição   cap.4

Capítulo 4

Etapas Básicas da Fundição por Areia

A fundição em areia é a mais usada, não só na produção de peças de aço e ferro

fundido, porque os moldes de areia são os que suportam melhor as altas temperaturas de

fusão desses dois metais, mas também para a produção de peças de ligas de alumínio,

latão, bronze e magnésio.

O processo em areia, particularmente a moldagem em areia verde é o mais

simples e mais usado nas empresas do ramo. A preparação do molde, neste caso,

consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária plástica

chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de moldar.

Processo Básico de Fundição:

Esse processo segue as seguintes etapas:

• A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo,

coberto com talco ou grafite para evitar aderência da areia, é então colocado no fundo

da caixa. A areia é compactada sobre o modelo manualmente ou com o auxílio de

marteletes pneumáticos.

Page 2: Apostila fundição   cap.4

• Essa caixa, chamada de caixa

• Outra caixa de moldar, chamada de caixa

Em seu interior são colocados o massalote

areia que é socada até que a caixa fique completamente cheia.

• O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas.

• Abre-se o copo de vazamento na caixa

• Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa

• Essa caixa, chamada de caixa-fundo, é virada de modo que o modelo fique para cima.

• Outra caixa de moldar, chamada de caixa-tampa, é então posta sobre a primeira caixa.

Em seu interior são colocados o massalote e o canal de descida. Enche

areia que é socada até que a caixa fique completamente cheia.

• O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas.

se o copo de vazamento na caixa-tampa.

·

canal de distribuição e canal de entrada na caixa-fundo e retira

o que o modelo fique para cima.

tampa, é então posta sobre a primeira caixa.

e o canal de descida. Enche-se a caixa com

• O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas.

fundo e retira-se o modelo.

Page 3: Apostila fundição   cap.4

• Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo.

presilhas ou grampos.

• Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é

desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém

depois é limpa e rebarbada.

A seqüência da preparação do molde que descrevemos é manual.

produção de grandes quantidades, usa

máquinas de moldar conhecidas como automáticas ou semi

produção maciça de moldes em reduzido intervalo de tempo.

Desenho de Modelos:

Para a fabricação de peças

é a cópia fiel da peça a ser fundida

seu respectivo desenho técnico

O modelo terá seu formato modelado por areias de fundição

se obter um molde da peça a ser fabricada

contração volumétrica do metal, isto é, a compensação em termos de volume

aço irá contrair à medida que for solidificando

se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam

Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é

desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém-se, assim, a peça fundida, que

depois é limpa e rebarbada.

A seqüência da preparação do molde que descrevemos é manual.

produção de grandes quantidades, usa-se o processo mecanizado com a ajuda de

máquinas de moldar conhecidas como automáticas ou semi-automáticas que permitem a

produção maciça de moldes em reduzido intervalo de tempo.

ara a fabricação de peças fundidas é necessário a utilização do MODELO

é a cópia fiel da peça a ser fundida. Sua confecção deverá ser a partir de um projeto de

seu respectivo desenho técnico.

terá seu formato modelado por areias de fundição adequadas a fim de

se obter um molde da peça a ser fabricada e deverá ainda prever em suas dimensões a

contração volumétrica do metal, isto é, a compensação em termos de volume

medida que for solidificando. Medidas excedentes n

Para prender uma na outra, usam-se

Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é

se, assim, a peça fundida, que

A seqüência da preparação do molde que descrevemos é manual. Nos casos de

se o processo mecanizado com a ajuda de

automáticas que permitem a

é necessário a utilização do MODELO, que

partir de um projeto de

adequadas a fim de

deverá ainda prever em suas dimensões a

contração volumétrica do metal, isto é, a compensação em termos de volume, já que o

edidas excedentes no modelo são

Page 4: Apostila fundição   cap.4

usadas para a formação do sobre-metal, uma adição extra de metal que após a

solidificação será usinada na peça final para um melhor acabamento superficial.

O modelo deverá ter um ângulo de saída para que este não fique “preso” no

molde com cerca de 2º a 4º graus de ângulo de abertura, não sendo aceitos modelos com

90º ou menos. Caso esteja fora desse padrão haverá contra saída, ou seja, a

impossibilidade de retirada do modelo do molde.

Características de um modelo usado em fundição

A caracteristica do modelo a ser usado no processo de fundição depende da peça

e do processo em que será fabricada, por exemplo o tamanho da peça (se é de alta ou

baixa produção, peça única, peça de grande porte etc.), e assim pode-se determinar o

tipo de material do qual o modelo será construído,

Os modelos deverão ainda ser pintados para que se possa identificar o material

do qual a peça será fabricada e melhorar o acabamento. Exemplos: Azul-aço, vermelho-

ferro fundido, preto-marcações para machos, amarelo-área a ser usinada ou bronze,

amarelo e preto-reforço estrutural ou falsa nervura.

Classificação dos modelos

Os modelos podem ser classificados quanto a sua forma construtiva:

* Manuais, emplacados ou caixa-placa.

Manuais: Não fixados em uma placa, manualmente consegue-se acessar todas as

suas partes. Podem ser bi-partidos ou não, ter macho ou não, e se houverem detalhes

internos poderão ter marcações para machos. É mais trabalhoso o uso desse tipo de

modelo porque podem ocorrer falhas na hora da moldagem, já que esse modelo é solto,

não emplacado. Podem ser usados para fabricação de peças de diferentes tamanhos, ter

alto grau de complexidade quanto a geometria da peça ou não e podem ser

confeccionadas por diferentes tipos de materiais.

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Figura 4.1. Modelos Manuais.

Emplacados: Nos modelos emplacados, a figura da peça está fixada em uma

placa e esta poderá conter mais de uma figura e ser rebaixada assegurando um ótimo

encaixe na hora do fechamento do molde, garantindo o encaixe entre tampa e fundo.

São usados para fabricação de peças em série, uma vez que podem haver vários

modelos fixados em sua placa.

Figura 4.2. Modelos Emplacados.

Modelos caixa-placa: Contêm todas as características dos modelos emplacados,

além de serem rebaixados e terem uma moldura nas bordas da caixa, fazendo o papel de

uma caixa de moldagem. São mais vantajosos devido a esse fato, uma vez que não há a

necessidade de moldar em caixa de moldagem.

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Figura 4.3. Modelos Caixa-placa.

Materiais para Fabricação de Modelos

O mercado oferece vários tipos de materiais para modelos, cada um com suas

características, suas vantagens e desvantagens.

Modelo em cera: usado para fabricação de peças pequenas, com superfície muito

fina e modelagem delicadas, como jóias. Possui custo elevado, tem a vantagem de não

necessitar de macho e baixa necessidade de usinagem. Sua fabricação é feita da

seguinte forma: a cera é pressionada em uma matriz que confere forma do modelo; a

cera é então colocada em um canal, formando o cacho ou árvore; essa é revestida com

uma lama cerâmica; são realizados diversos banhos nessa mistura para que o molde

ganhe resistência mecânica; a cera é removida e o molde estará pronto para receber o

metal liquido.

Figura 4.4. Modelo em cera.

Modelo em madeira: Modelo mais usado no processo de fundição, por sua

facilidade de produção e custo médio. Pode ser confeccionado em diferentes tamanhos.

Também é um dos mais eficientes, já que possui boa resistência mecânica, porém possui

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a desvantagem de não possuir bom acabamento e ser atacado pela ação do tempo, calor

e umidade, necessitando ser armazenado de forma cuidadosa para prolongar sua vida de

utilização. Sua fabricação é artesanal: a partir do desenho da peça os modeladores

fabricam os modelos esculpindo, cortando, lixando, pregando a madeira até que o

modelo final seja obtido.

Figura 4.5. Modelo em madeira em fases intermediária e final de construção.

Figura 4.6. Outros modelos em madeira (Modelos de médio e grande porte).

Page 8: Apostila fundição   cap.4

Modelo em isopor: É utilizado para fabricação de peça única. Sua vantagem é

que não necessita ser desmoldado, já que o aço líquido irá consumir esse modelo

durante o processo de fundição. Possui baixo custo e é fácil de ser transportado. Seu

acabamento é deficiente, mas sua principal desvantagem é devido a sua baixa

resistência mecânica. A fabricação do modelo em isopor é feita através de moldes onde

o isopor (poliestireno) é fundido, obtendo-se o modelo da peça.

Figura 4.7. Modelo em isopor.

Modelo em resina: Usado para fabricação de peças de média a grande escala.

Possui alta durabilidade e resistência, bom acabamento e pode ser fixado em placas,

assim como os modelos em madeira. A desvantagem é seu alto custo. Seu processo de

fabricação é semelhante ao do isopor: a resina é fundida em moldes e após a

solidificação obtém-se o modelo da peça desejada.

Figura 4.8. Modelo em resina.

Modelos metálicos: São usados para fabricação de peças em série de alta

produção. Possuem excelente resistência mecânica, durabilidade e bom acabamento. As

desvantagens são o alto custo de confecção e dificuldade de transporte, já que o metal é

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o mais pesado entre os materiais usados na confecção de modelos. São fabricados a

partir de moldes em que o aço é fundido e o modelo é obtido no final do processo

Figura 4.9. Modelos metálicos.

Inovações no setor de fundição

Devido à alta competitividade e o crescimento do setor de fundição, as empresas

especializadas em fundição e confecção de modelos investem em pesquisa para

desenvolverem produtos e máquinas que atendam o mercado com qualidade,

durabilidade e rapidez. Com isso são introduzidas formas de confecção de modelo mais

modernas. Em casos como os modelos de resina, por exemplo, materiais mais

resistentes como a resina “CIBA”, considerada de alta qualidade foram desenvolvidas

para serem mais duráveis e de rápida solidificação.

A prototipagem rápida é uma tecnologia para construir modelos e protótipos

tridimensionais físicos moderna, utilizando como referência a matemática de sistemas

de desenho, auxiliados por computador (CAD), que constroem protótipos através da

superposição de camadas milimétricas de matérias-primas diversas (no caso específico

do equipamento Modelmaker II é utilizada a cera de fundição).

Uma característica comum aos Processos de Prototipagem Rápida é o fato de

que o protótipo é formado não pela remoção de material (cutting processes) como nas

fresadoras de alta velocidade, mas pela adição de matéria-prima.

O processo necessita, obrigatriamente, de ser iniciado a partir de um arquivo

virtual modelado tridimensionalmente ou proveniente de escaneamento tridimensional

de modelo pré-existente, o qual é transferido para um software de gerenciamento do

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equipamento de prototipagem, que fará o fatiamento, calculando o tempo necessário e a

matéria-prima a ser utilizada na montagem dos valores relativos a cada protótipo.

Os desenhos realizados à mão (ilustrações, sketches, renderings e vistas

ortográficas), depois de aprovados, também podem ser transferidos para o meio virtual,

pois os softwares possuem banco de dados relativo às perdas, materiais metálicos e

texturas diversas, que facilitam a transposição de imagem. É importante ressaltar o fato

de que a plena utilização dos programas de modelagem depende do aprendizado

individual do usuário.

A liberdade no processo de criação, que ocorre no desenho à mão livre, pode ser

complementada ao ser transferida para o meio virtual, onde podem ser geradas

informações precisas, ligadas ao dimensionamento (espessuras, peso, concavidades,

convexidades, etc), possibilitando assim, a apresentação rápida de alternativas

(alterações de cor, superfícies, texturas, elementos decorativos, etc) e de imagens

fotorrealistas, com renderizações, (estas possibilidades dependem dos softwares

utilizados e das capacidade computacional instalada), que funcionam como ferramentas

auxiliares no processo de criação, pois permitem a visualização tridimensional (rotação)

e o dimensionamento parametrizado (construção com dados matemáticos) do objeto.

Figura 4.10. Exemplos de materiais obtidos com a prototipagem rápida.

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Outra novidade são programas de computador que simulam todo o processo de

fundição a ser realizado. Entre eles se destaca o Virtual Aluminum Castings (VAC). É

um conjunto de módulos computacionais desenvolvidos pelo Laboratório de Pesquisas e

Engenharia Avançada da Ford Motor Company, nos Estados Unidos, em colaboração

com diversas universidades ao redor do globo. Esta ferramenta revolucionária integra o

projeto do componente e a seleção dos processos de fabricação em um sistema de

análise virtual, visando a otimização simultânea das propriedades do material, dos

processos de fundição e do tratamento térmico, assim como da geometria do

componente durante as primeiras fases de desenvolvimento do produto.

O VAC foi especialmente concebido para o desenvolvimento de cabeçotes e

blocos de motores fabricados em ligas de alumínio fundido. É baseado em modelos

avançados de materiais que fazem a ligação entre os principais fatores que afetam as

propriedades finais, desde a escala atômica e nanoestrutural até a escala do componente

propriamente dito. A partir da utilização do VAC, blocos e cabeçotes “virtuais” podem

ser concebidos, fabricados, submetidos a tratamentos térmicos, e ter a durabilidade à

fadiga avaliada em um computador, muito antes que estes componentes sejam de fato

fabricados. O VAC foi adotado e implementado com sucesso pela Ford Powertrain nos

Estados Unidos, reduzindo significativamente o custo, o tempo de desenvolvimento e o

peso final dos motores Ford.

Desenho de Caixas para Macho

Se uma peça possuir detalhes internos como cavidades, por exemplo, deverá ser

usado um macho. Os machos são utilizados para preencher cavidades ou passagens da

peça e são colocados no molde antes do vazamento do metal líquido.

Os machos, assim como os moldes, devem apresentar certa resistência,

permeabilidade e devem ser quebradiços para poderem ser retirados com facilidade.

Para se obter essas características, os machos são confeccionados a base de areia e

aglomerados.

Fabricação de caixas de macho: O corpo é moldado em areia e colocado numa

posição estratégica no molde para que a peça seja produzida com perfeição. Poderá ser

usado ainda a marcação para macho em um local especifico no molde onde este será

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apoiado. O desenho de caixas para macho em molde em areia pode ser visualizado na

figura abaixo.

Figura 4.11. Caixas para machos.

Características das Areias de Fundição

Areia de Moldagem é um sistema heterogêneo constituído essencialmente de um

elemento granular refratário (normalmente areia silicosa), um - ou mais - aglomerantes

e um plastificante (água). Alternativamente a água pode ser suprimida se o aglomerante

utilizado for líquido.

A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistência

mecânica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). Já da areia

destinada à fabricação de machos espera-se, além dos requisitos exigidos para a areia de

moldagem, boa colapsibilidade, definida como a perda de resistência da areia após o

início da solidificação da peça.

Classificação

♦ quanto à origem: natural; semi-sintética ou sintética. Apesar de já estar

"pronta" a areia natural tem sido pouco utilizada dada as suas baixas propriedades.

♦ quanto ao uso: nova ou reciclada. Fundição de areia-verde que trabalhe

basicamente com areia usada (reciclada) utiliza cerca de 10% de areia nova para

recompor as perdas durante a reciclagem e manter as propriedades da areia estáveis. Na

areia reciclada são adicionadas também pequenas quantidades de aglomerantes e água.

♦ quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de

macho.

♦ quanto ao estado de umidade: úmida (verde) ou seca (estufada).

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Componentes

Areia-base:

A areia-base é uma areia refratária, normalmente silicosa, sendo que se for

originária de areia de praia deve ser lavada previamente para retirada dos sais. A

composição química da areia-base afeta a dilatação térmica da areia, a reatividade com

o metal fundido, mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa última

propriedade é particularmente importante na fundição de aço.

A granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da areia e a penetração

metálica. Considerando que a distribuição dos grãos seja relativamente estreita, quanto

maior for o diâmetro desses mais permeável será a areia (isso é bom pois facilita o

escoamento dos gases) porém maior será a penetração metálica, implicando num

acabamento "pobre".

Assim, existe um compromisso entre estes dois aspectos e a decisão dependerá

do metal em questão: ligas de alumínio e magnésio são extremamente fluídas sendo

necessário se utilizar areias finas para minimizar a penetração metálica. Já ferrosos

tendem a gerar gases, optando-se por areias mais grossas, ou seja, mais permeáveis.

O formato dos grãos de areia podem variar de redondos a angulares, passando

pelos semi-angulares. Não há um consenso quanto a geometria ideal para os grãos, com

uma leve tendência de preferência para os grãos angulares que promovem uma melhor

amarração dos moldes, ou seja, um molde mais denso e menos permeável.

Aglomerantes:

São materiais que envolvendo e ligando entre si os grãos conferem à areia, após

compactação, secagem ou reação química, as características necessárias ao processo de

moldagem, isto é, resistência às solicitações dinâmicas, estáticas e térmicas provocadas

pelo metal fundido. Para um dado aglomerante, com o aumento do seu teor aumenta a

resistência e a dureza da areia e diminui a permeabilidade. Os aglomerantes se

subdividem em aglomerantes inorgânicos, orgânicos e sintéticos.

♦ aglomerantes inorgânicos: a resistência é atingida através da socagem, sendo

que essas substâncias tendem a sinterizar quando em contato com o metal fundido, o

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que dificulta a desmoldagem. São eles: argila; bentonita - que é um tipo de argila com

maior poder aglomerante - e cimento. Argila e/ou bentonita são os aglomerantes

clássicos das areias verdes recicláveis, enquanto que o cimento - devido à baixíssima

colapsibilidade - praticamente não é mais utilizado.

♦ aglomerantes orgânicos: a resistência é atingida através de uma leve socagem

seguida de uma secagem do molde ou macho - já prontos - em estufa, sendo que a

resistência final pode ser superior à alcançada com aglomerantes inorgânicos. Como

vantagem adicional apresenta também boa colapsibilidade. Com o advento das resinas

os aglomerantes orgânicos naturais cairam em desuso. Exemplos: acúcares; melaço de

cana; amido de milho (maizena); óleos; etc.

♦ aglomerantes sintéticos: Existem basicamente duas classes de resinas: as

termoendurecíveis (polimerizam pela ação do calor) e as autoendurecíveis (ou de cura a

frio). A utilização de resinas como aglomerante cresce dia a dia, pois conferem

excelente resistência aliada a uma boa colapsibilidade e capacidade de se fabricar seções

finas, compensando o elevado custo desse insumo. Assim, os fundidores dispõem hoje

de uma enorme gama de resinas e catalisadores para os mais diversos fins. Um desafio

que persiste é a redução da toxidez dessas substâncias.

Areias Não-Silicosas, Aditivos e Tintas

Areias Não-silicosas:

A opção por uma areia-base não-silicosa parte da constatação de que a areia

silicosa apresenta - quando comparada com outras composições - inúmeras

desvantagens como elevada expansão volumétrica e elevada reatividade com o metal

fundido. Entretanto, pelo menos em países como o Brasil - com imensas reservas de

areia silicosa e grande litoral - fica mais barato se contornar os problemas advindos da

utilização de areia silicosa do que substitui-la. Das areias não-silicosas podemos citar a

zirconita, que seria a areia ideal em termos de propriedades, não fosse pelo alto custo, e

a de cromita que apresenta maior capacidade de extração de calor do que a areia

comum. Devido a essa característica, algumas vezes, a areia de cromita é empregada

como areia de faceamento, quando se pretende acelerar a solidificação.

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Existem duas formas - não-excludentes - de se minimizar os defeitos decorrentes

da utilização de areia silicosa: através do emprego de aditivos e pela pintura de moldes e

machos.

Aditivos:

São substâncias que misturadas à areia de moldagem, em teores inferiores a 1%,

modificam suas propriedades, minimizando certos tipos de defeitos.

Exemplo 1: A areia silicosa se expande quando exposta a temperaturas da ordem

de 500°C - o que pode dar origem a defeitos de expansão. Assim, um aditivo que

pretenda minimizar este defeito deve ser queimado para deixar espaço para a expansão

da areia. Para este fim pode-se adicionar à areia serragem, pó de madeira ou qualquer

outro componente orgânico.

Exemplo 2: A areia silicosa é muito reativa com o metal fundido, em especial

com o ferro fundido, comprometendo o acabamento da peça. A reação metal-areia se dá

a partir da reação do óxido metálico com a sílica. Assim, um aditivo que gere atmosfera

redutora minimiza a oxidação do metal, melhorando o acabamento do fundido. Para tal

costuma-se adicionar à areia de ferrosos pó ou moinha de carvão (Carvão Cardiff),

conferindo à areia a cor preta característica. Para ligas de magnésio, adiciona-se pó de

enxofre à areia.

Tintas:

A principal função de uma tinta é a criação de uma camada intermediária entre

areia e metal, visando conferir um bom acabamento ao molde ou macho e, por

conseguinte, à peça. A tinta é constituída de uma substância refratária (grafite ou

zirconita), uma substância aglomerante (bentonita, por ex.) e um solvente (água ou

álcool). A pintura pode ser feita por pincel, pistola ou imersão, sendo imprescindível

que a camada aplicada seja fina e que o solvente seja totalmente evaporado por ocasião

da queima da tinta, evitando que a tinta seja mais uma fonte de defeito na peça fundida.