0655 - PROCESSOS DE FABRICAO MECNICA

Cpia das transparncias sobre:

FUNDIO

Prof. Demarchi

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Captulo 1 FUNDIO 1.1 INTRODUO Transformao dos metais e suas ligas em peas de uso industrial tendo como ponto de partida o metal lquido ou fundido derramamento do metal no interior de uma cavidade ou forma, chamada molde. Molde pode corresponder forma final da pea desejada ou pode sofrer posteriores tratamentos de conformao no estado slido at chegarmos s dimenses desejadas. Cavidade no molde negativo da pea. 1.2 SOLIDIFICAO DOS METAIS NO INTERIOR DOS MOLDES Transio do estado lquido para o slido pode levar ao surgimento de heterogeneidades, que se no controladas podem provocar defeitos e rejeio das peas. 1.2.1 Cristalizao Consiste no aparecimento das primeiras clulas cristalinas unitrias, que servem como ncleos para o posterior crescimento dos cristais, dando origem aos gros definitivos e estrurura granular tpica dos metais. Crescimento dos cristais no ocorre de maneira uniforme velocidade depende da direo dos eixos cristalogrficos no interior do molde, depende da proximidade das paredes, que vai determinar tambm a velocidade de resfriamento.

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Desenvolvimento e expanso de cada ncleo de cristalizao origina um tipo de cristal chamado de dendrita crescimento das dendritas ocorre at se encontrarem com as dendritas vizinhas, originando os gros e os contornos de gros, formando a massa slida. Figura item (b) solidificao no interior de um molde metlico prismtico, chamado de lingoteira, originando o lingote incio nas paredes cristais tendem a crescer mais rapidamente na direo perpendicular s paredes do molde estruturas colunares tpicas, que se encontram

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em planos diagonais planos de maior fragilidade, podendo originar fissuras nos processos de conformao posteriores emprego de cantos arredondados. 1.2.2 Contrao de volume Durante a solidificao ocorrem 3 tipos de contraes: contrao lquida devido diminuio da temperatura at o incio da solidificao. contrao de solidificao variao de volume durante a mudana do estado lquido para o slido. contrao slida variao de volume j no estado slido (da temperatura de fim de solidificao at a ambiente) Pode ser expressa em % de volume ou linearmente (no caso da contrao slida). Contrao slida deve ser considerada no projeto do modelo depende da liga utilizada. Exemplos de contrao linear: aos fundidos: de 2,18% a 2,47% (menor para teores mais altos de C) ferros fundidos: de 1 a 1,5% (cinzento = 1% ; nodular = 1,3 a 1,5%) nquel e ligas cobre-nquel: de 8 a 9% A contrao provoca uma heterogeneidade chamada de vazio ou chupagem.

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Os vazios podem ficar localizados na parte interna das peas, prximos superfcie, porm invisveis externamente. Contrao pode provocar: defeitos internos (vazios) trincas a quente tenses residuais Estes problemas podem ser controlados atravs de: projeto da pea tratamentos de alvio de tenses projeto do molde Projeto do molde: Lingoteira: utilizao de uma pea postia (de material refratrio) no topo da lingoteira chamada cabea quente ou massalote Material refratrio retm o calor por um tempo mais longo e corresponder regio que solidificar por ltimo, concentrando o vazio nesta regio, que ser posteriormente eliminada do lingote. Molde de peas: utilizao de um alimentador entrada do metal lquido atravs de canais feita numa seo mais ampla, que alimenta as menos espessas alimentador ficar com excesso de metal lquido, concentrando o vazio nesta regio, que ser eliminada posteriormente.

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1.2.3 Concentrao de impurezas Impurezas nas ligas apresentam comportamento diferente se a liga estiver no estado lquido ou no slido: lquido: impurezas totalmente dissolvidas, homogneas. slido: menos solveis (ex. P e S nas ligas ferro-carbono), ficando acumuladas nas regies em que a solidificao ocorreu por ltimo segregao composio qumica no uniforme propriedades mecnicas diferentes em certas regies. 1.2.4 Desprendimento de gases Mais comuns nas ligas ferro-carbono Oxignio dissolvido na liga tende a se combinar com o carbono, formando CO2, facilmente eliminado se a liga estiver no estado lquido. Porm, conforme a viscosidade aumenta durante a solidificao, este gs tende a ficar retido na pea, formando bolhas (vazios). Adio ao metal lquido de desoxidantes, alguns tipos de ferro-ligas (tais como ferro-silcio, ferro-mangans) ou alumnio Oxignio reage preferencialmente com estes elementos, formando xidos slidos (SiO2 , MnO e Al2O3).

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1.3 PROCESSOS DE FUNDIO Fundio por gravidade Fundio sob presso Fundio por centrifugao Fundio de preciso Etapas dos processos de fundio:

Projeto da pea Projeto do modelo Confeco do modelo (modelagem ou modelao) Confeco do molde (moldagem) Fuso do metal Vazamento no molde Limpeza e rebarbao Controle de qualidade

1.3.1 Projeto da pea No projeto de uma pea a ser fundida, devem ser considerados os fenmenos que ocorrem na solidificao do metal no molde, para que eventuais defeitos sejam evitados. A princpio, considerar:

Estrutura dendrtica resultante Tenses residuais de resfriamento Espessura de paredes e regies de difcil

preenchimento Evitar variaes bruscas de sees e cantos vivos:

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Considerar uma espessura mnima de paredes

Paredes muito finas no so bem preenchidas com o metal lquido.

Maior velocidade de resfriamento pode originar regies de maior dureza

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Evitar fissuras de contrao do metal durante a solidificao Prever conicidade para melhor confeco do molde, considerando os ngulos de sada recomendados (de 1 a 3)

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1.3.2 Projeto do modelo Os modelos so fabricados em:

Madeira (cedro, imbuia, peroba, pinho, compensado) Materiais de fcil usinagem (alumnio) Resina

Podem ser em pea nica (para peas grandes) ou montados em placas (para produo seriada e de peas pequenas, facilitando o uso de mquinas de moldar) Devem ser considerados: Contrao do metal ao solidificar, ou seja, o modelo deve ser maior que a pea. Os valores dos acrscimos dependem do metal ou liga a ser fundido. Exemplos:

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Eliminar rebaixos e detalhes que dificultam a moldagem.

Acrescentar sobremetal para posterior usinagem de acabamento. Exemplos:

Verificar a diviso do modelo.

Linha divisria ou linha de partio representa a linha que divide as partes que formam a cavidade superior e a cavidade inferior do molde.

Deve-se objetivar uma linha divisria reta, ou seja, um nico plano que divida o modelo em suas sees superior e inferior

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Considerar o volume de produo, para a escolha do material do modelo e de sua montagem em placa ou no. Determinar a localizao dos machos. Macho: corresponde s cavidades que so necessrias nas peas fundidas (principalmente orifcios). Sua funo no molde , ao contrrio do modelo em si, formar uma seo cheia onde o metal no penetrar, de modo que a pea apresente um vazio naquela regio. O modelo deve prever partes salientes que permitam a montagem dos machos no molde. Exemplo:

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Prever a colocao dos canais de vazamento.

1.3.3 Confeco do molde ou moldagem Molde: o recipiente que contm em seu interior a cavidade ou as cavidades com a forma da pea que ser fundida, dentro da(s) qual(is) ser vazado o metal lquido. A etapa de moldagem permite distinguir os vrios processos de fundio:

Moldagem em molde de areia ou temporrio por gravidade: Areia verde Areia seca Areia cimento Areia de macho

Moldagem em molde metlico ou permanente Por gravidade Sob presso

Moldagem pelo processo CO2 Fundio por centrifugao

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Fundio de preciso Em casca Cera perdida (de investimento)

1.3.3.1 Moldagem em areia Requisitos do molde:

Resistncia para suportar o peso do metal lquido Resistncia ao erosiva do metal lquido Gerar a menor quantidade possvel de gases Facilitar a sada dos gases gerados para a atmosfera

Caixa de moldagem: estrutura, geralmente metlica, com resistncia suficiente para suportar o socamento da areia na operao de moldagem, bem como a presso do metal lquido durante a fundio. Normalmente construda 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 mquina de moldar) uma mistura refratria chamada areia de fundio (composta de areia silicosa, argila e gua) sobre o modelo colocado ou montado na caixa de moldar.

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Seqncia de operaes na fundio em areia verde

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Areia de fundio: Principais caractersticas: plasticidade e consistncia, moldabilidade, dureza, resistncia, refratariedade, etc.

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Componentes: Areia: o constituinte bsico, em que devem ser

consideradas a pureza, granulometria (tamanho de gros, distribuio granulomtrica e porcentagem de finos), dureza, forma dos gros, integridade dos gros, refratariedade, permeabilidade e expansibilidade.

Argila: aglomerante usual nas areias de fundio sintticas (especialmente preparadas).

Carvo modo: eventualmente usado para melhorar o acabamento superficial das peas.

Dextrina: aglomerante orgnico usado para dar maior resistncia mecnica areia quando seca em estufa.

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

Breu em p: aglomerante, que d principalmente areia seca, grande resistncia mecnica.

Serragem: para atenuar os efeitos de expanso. Composio tpica de areia sinttica de fundio: Partes em peso: areia 100 argila 20 gua 4 Para a confeco dos machos, as areias devem apresentar alta resistncia depois de secas em estufas (estufadas entre 150 e 250C), alta dureza, alta permeabilidade e inalterabilidade. Seus componentes, alm da areia e gua, incluem vrios tipos de aglomerantes: silicato de sdio, cimento portland, resinas piche, melao, farinha Mogul, leos, etc. A moldagem em areia verde pode ser feita manualmente (com socador manual ou pneumtico) ou mecanicamente (com mquinas de compresso, de impacto, compresso vibratria, sopragem ou projeo centrfuga).

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Moldagem em areia seca ou em molde estufado Neste caso, a areia deve conter aditivos orgnicos para melhorar suas caractersticas. A secagem feita em estufas entre 150C e 250C. Vantagens do molde estufado:

Maior resistncia presso do metal lquido Maior estabilidade dimensional Maior dureza Melhor acabamento das peas fundidas.

Moldagem em areia-cimento Vantagens semelhantes s dos moldes estufados e empregada para peas mdias e grandes. Composio tpica da areia de moldagem: Porcentagens em peso: areia silicosa 82%

cimento portland 10% gua 8%

1.3.3.2 Moldagem pelo processo CO2 Os moldes so confeccionados em areia aglomerada com silicato de sdio (2,5 a 6,0% em peso). Depois de compactados, so submetidos a um tratamento com CO2, que consiste na passagem de um fluxo deste gs atravs de sua seo reao entre o CO2 e o silicato de sdio formando slica-gel, carbonato de sdio e gua, resultando num endurecimento do molde em tempo relativamente curto dispensa-se o tratamento em estufa, obtendo-se resistncia e durezas elevadas.

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1.3.3.3 Moldagem em molde metlico 1.3.3.3.1 Molde permanente por gravidade Mais conhecido: fundio de lingotes. Moldes = lingoteiras

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Normalmente, o vazamento do metal feito pela parte superior da lingoteira, porm, so usadas tambm ligoteiras com enchimento pelo fundo atravs de canais de vazamento. Moldes permanentes mistos: parte metlica do molde chamada de coquilha e o material que se solidifica mais rapidamente nessa seo adquire uma camada mais dura e de alta resistncia ao desgaste.

Molde permanente por gravidade tambm utilizado para vrios outros tipos de peas: o molde composto de duas ou mais partes que, quando fechadas, formam a cavidade correspondente forma da pea desejada. Vantagens (em relao a peas produzidas em molde de areia: - maior uniformidade - melhor acabamento superficial - tolerncias dimensionais mais estreitas - melhores propriedades mecnicas.

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Desvantagens: - limitado a peas pequenas - custo elevado do molde (alto volume de produo) - formas complexas dificultam o projeto do molde (extrao da pea)

1.3.3.3.2 Fundio sob presso Metal lquido forado (sob presso) a entrar na cavidade do molde, chamado neste caso de matriz (metlica, permanente). Permite a fabricao de peas mais complexas e de paredes mais finas que os processos por gravidade. Matriz pode ser fria ou aquecida temperatura de vazamento; possui canais para sada de ar e para garantir o total preenchimento das cavidades. A presso mantida at o final da solidificao. Aps abertura da matriz e expulso da pea, procede-se limpeza e lubrificao da matriz, preparando-a para o prximo ciclo. Vantagens:

Produo de formas mais complexas; Produo de peas com paredes mais finas e

tolerncias dimensionais mais estreitas; Alta capacidade de produo; Acabamento superficial de tima qualidade; Matrizes de alta durabilidade; Permitem aplicao de revestimentos superficiais com

pouco preparo prvio da superfcie; Algumas ligas, como as de alumnio, apresentam

maiores resistncias que se fundidas am areia.

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Desvantagens: Dimenses das peas so limitadas (normalmente

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Mquinas para fundio sob presso: Cmara quente: se o metal a ser utilizado funde a temperatura baixa e no ataca o material do cilindro e pisto de injeo, este pode ser colocado diretamente no banho de metal lquido. Cmara fria: caso em que o material fundido ataca o sistema de pressurizao (cilindro e pisto). A cmara de presso possui um orifcio de vazamento e o contato com o metal lquido ocorre apenas no momento do vazamento. Empregada para ligas de alumnio, magnsio e cobre.

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1.3.3.4 Fundio por centrifugao O metal lquido vazado num molde dotado de movimento de rotao, de modo que a fora centrfuga origina uma presso que fora o metal de encontro s paredes do molde, onde solidifica.

Caractersticas:

Molde metlico cilndrico montado em roletes; Camisa de gua; Conjunto com movimento longitudinal; Alimentao atravs de calha e panela de fundio; Sistema horizontal ou vertical.

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1.3.3.5 Fundio de preciso Utiliza-se um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumvel com uma pasta ou argamassa refratria que endurece temperatura ambiente ou mediante aquecimento adequado uma vez endurecida esta pasta refratria, o modelo consumido ou inutilizado casca endurecida que constitui-se no molde propriamente dito aps vazamento da pea, o molde tambm inutilizado. Vantagens:

Produo em massa de peas com geometrias complexas;

Reproduo de detalhes, cantos vivos, paredes finas; Grande preciso dimensional; Excelente acabamento superficial; Grande variedade de materiais que podem ser

fundidos por este processo; Controle das propriedades mecnicas atravs do

controle da solidificao;

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Possibilidade de utilizao de atmosfera protetora ou vcuo.

Limitaes:

Devido capacidade dos equipamentos e investimentos em ferramental, as dimenses e peso das peas so limitados (

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Processo de fundio em casca (Shell molding) O molde fabricado a partir de uma mistura de areia e resina endurecvel ao calor que funciona como aglomerante esta mistura colocada sobre um modelo metlico que aquecido (por volta de 450C), resultando uma casca resistente e rgida que formar uma das metades do molde a outra metade feita de forma semelhante montagem dos machos se necessrio fechamento das cascas por prensagem e colagem montagem dos canais de vazamento vazamento do metal lquido.

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1.3.4 Fuso do metal 1.3.4.1 Fuso do ferro fundido Liga de ferro com alto teor de carbono (2,5% a 4,0%) e silcio (liga ternria Fe-C-Si) Forno cubil

Carga: metal, combustvel (carvo coque) e fundente (calcrio facilitar a separao de impurezas e formao da escria) Carga metlica: sucata de fundio (canais, alimentadores, refugos, etc), sucata em geral, ferro-gusa de alto forno, sucata de ao, ferro-silcio e ferro-mangans.

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Dificuldade em controlar a composio qumica e propriedades mecnicas necessidade de utilizao de forno eltrico a arco (como na fundio de ao). 1.3.4.2 Fuso do ao Forno eltrico a arco aquecimento produzido por arcos que se formam entre os eletrodos (de carbono ou grafita) tenses de operao de 90V a 500V controle das condies de fuso atravs da variao de tenso eltrica ou da posio (altura) dos eletrodos.

Forno de induo Corrente eltrica de alta freqncia passando pelo enrolamento primrio, que constitudo por uma bobina de tubos de cobre resfriados a gua, colocada no interior da carcaa do forno. A carga metlica constitui o enrolamento secundrio do circuito.

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1.3.4.3 Fuso de no-ferrosos So empregados fornos eltricos (induo) e principalmente fornos de cadinho (aquecidos a leo ou gs, por meio de um queimador).

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1.3.5 Desmoldagem, limpeza e rebarbao Aps solidificao das peas no interior dos moldes, so feitas as operaes de desmoldagem, corte dos canais, limpeza e rebarbao. Desmoldagem separao da areia das peas solidificadas Desmoldador em grade com movimento vibratrio, onde a areia cai sobre correias transportadoras e levada a armazns para reaproveitamento (aps separao dos resduos metlicos). Limpeza:

Grosseira, para remoo dos canais e alimentadores (com serras de fita, discos de corte, maaricos ou marteletes).

Da superfcie, atravs de jateamento de areia, tamboreamento.

Rebarbao remoo de rebarbas ou outros excessos de metal na pea com o emprego de marteletes pneumticos e esmeril. 1.3.6 Controle da qualidade das peas fundidas Inspeo visual Inspeo dimensional Inspeo metalrgica / mecnica

Anlise composio qumica Metalografia Ensaios mecnicos para determinao das

propriedades mecnicas Ensaios no-destrutivos (radiografia (raio-X),

ultrassonografia, Eddy current)

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1.4 COMPARAO (resumida) DE ALGUNS PROCESSOS DE FUNDIO

1.5 SIMULAO NUMRICA APLICADA AOS PROCESSOS DE FUNDIO Programas de clculo que:

Auxiliam no projeto das matrizes e modelos. Executam anlises do processo, simulando o fluxo

interno do metal no molde e prevendo/corrigindo problemas de regies com alta turbulncia, dificuldades de preenchimento, etc.

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Simulam o processo de resfriamento das peas no molde, corrigindo eventuais regies crticas.

Exemplo: www.magmasoft.com

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1.6 TABELA COMPARATIVA DOS DIVERSOS PROCESSOS DE FUNDIO (orientativa)

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1.7 DETALHES DO PROJETO DA PEA PARA EVITAR DEFEITOS DE FUNDIO SEES E TIPOS DE JUNES ENTRE PAREDES DE UMA MESMA PEA Espessamento local ligado ao resto da pea por paredes mais delgadas massa isolada em arrefecimento ou ponto quente regularizar as espessuras pela aplicao da lei dos crculos inscritos ou lei de Heuvers (assume que a massa de metal em duas regies diferentes proporcional s sees destas regies. Exemplos:

Se as espessuras forem regulares, o crculo inscrito deve deslocar-se sem que seu raio sofra variaes bruscas. Aumento de 15% no raio do crculo entre dois pontos distanciados de 5mm aumento de massa de 30% OK! Ligaes entre paredes:

Provocam sempre concentrao de massa Raios de concordncia grandes proporcionam

velocidades de solidificao aprox. iguais Raios pequenos parede externa arrefece mais

depressa Canto vivo: rechupe ou trincas

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Considerar raios de concordncia

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Concordncia entre flange e tubo

Ligaes entre paredes com ngulos menores que 90:

Para espessuras iguais: re R=r+e com r10mm se o ngulo for menor que 60 Se as espessuras forem maiores que 40mm ser r=1.5e R=r+e

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Para espessuras diferentes:

Ligaes em T

Defeitos tpicos em ligaes mal dimensionadas:

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Perfis de concordncia aconselhados:

Unies progressivas se E>1,5e

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Ligaes em Y

Ligaes em cruz ou + ou X

Deve-se evitar, quando possvel, o cruzamento:

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Se por razes de simetria no for possvel o desvio do alinhamento das paredes da pea, pode-se recorrer ao uso de machos para reduzir o volume da unio e para conservao de espessuras uniformes: