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Aula 06 : Revisão de conteúdos para prova 01.

Introdução aos processos de fundição

Fusão e metais líquidos

Gases em metais líquidos

Escoamento de metais

Sistemas de canais de enchimento

Solidificação dos metais e suas ligas: fundamentos

Nucleação da fase sólida

Crescimento da fase sólida

Disciplina: Fundição Semestre 2014_2Prof. Guilherme Verran

Critérios para escolha de um processo de fundição:

Material Propriedades

Propriedades da Peça ⇔ Nível de qualidade desejado

Propriedades de Fundição ⇔Definem a maior ou menor facilidade de obtenção da peça

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

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Critérios para escolha de um processo de fundição:

Propriedades de Fundição: Propriedades que determinam a maior ou menor habilidade de uma liga para a obtenção de pecas fundidas. ou seja, definem a FUNDIBILIDADE de uma liga.

• Reatividade no estado líquido

• Fluidez

• Modelo de Solidificação e formação de rechupes

• Ponto de fusão

• Coeficiente de Contração volumétrica

• Tendência à trincas de solidificação


Processo de FundiçãoRota Metalúrgica

Seleção e Preparação da Carga

Fusão –Tratamentos do Banho

Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento


Carga composta por diferentes materiais

Conhecimento das composições químicas dos diferentes componentes da carga

Elaboração do cálculo de carga e definição das proporções dos diferentes componentes

Composição química Especificada

Estimativa de Perdas na fusão

Principal problema: conhecimento preciso da composição química da carga

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Rota Metalúrgica

Fusão –Tratamentos do Banho

Seleção e Preparação da Carga

Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento

Processo de FundiçãoDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Fusão – ocorrência de reações químicas do metal líquido com o ambiente

Desequilíbrio na composição química

Medidas necessárias:1. Controle da temperatura do banho2. Controle do tempo a temperaturas elevadas3. Realização de tratamentos do banho

Principal problema: variações na composição química ⇒ peças fora das especificações

Principal Problema na Fusão de

Materiais Metálicos

VARIAÇÃO DA

COMPOSIÇÃO QUÍMICA

⇓

PEÇAS FUNDIDAS FORA DAS ESPECIFICAÇÕES

REATIVIDADE QUÍMICA DOS METAIS LÍQUIDOS

⇓



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Recomendação Importante

CONDUZIR A OPERAÇÃO DE MODO A EVITAR OU REDUZIR COMBINAÇÃO DO METAL/LIGA COM OS ELEMENTOS QUE O CERCAM

TIPOS DE

FUSÃO

Fusão Simples

Fusão sob Vácuo ou Atmosfera Inerte

Aumento da Reatividade Química da

Liga



Possíveis Interações entre o Metal Líquido e o “Ambi ente”

1 . Dissolução de gases no metal

2 . Reações geradoras de gases

3 . Trocas Metal-Escória

4 . Reações do Metal com o Cadinho (recipiente)

1 2

3

4



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Fontes de Impurezas e de Elementos Estranhos ao Metal Líquido

Fusão em Fornos Elétricos

Fusão em Fornos a

Combustível

Produtos de Combustão(CO2 - CO - H2O - SO2 + O2 e N2)

P e S das cinzas de Combustíveis Sólidos

Recipiente Refratário

Atmosfera Normal (O 2 - N2 - H2O - CO2)

Contaminações Metálicas e Não Metálicas (Si - Al - O 2 - H2)

Carga e Ferramentas usadas na Fusão



TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS

• UTILIZAÇÃO DE FUNDENTES DENOMINADOS FLUXOS

• SÃO CLASSIFICADOS DE ACORDO COM AS SUAS FUNÇÕES

• PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO E ABSORÇÃO DE GASES

• ELIMINAÇÃO DE ÓXIDOS E GASES

• REFINADORES DE GRÃOS



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FLUXOS DE PROTEÇÃO

• PREVENÇÃO DE PERDAS DE METAL DURANTE A FUSÃO.

• COBERTURA PROTETORA SOBRE O METAL LÍQUIDO.

• REDUÇÃO DE PERDAS NA RETIRADA DA ESCÓRIA



FLUXOS DE PURIFICAÇÃO

• ELIMINAÇÃO DE GASES DISSOLVIDOS E DE ÓXIDOS

• REAÇÃO QUÍMICA PRODUZ BORBULHAMENTO

• EXTRAÇÃO MECÂNICA DE GASES E ÕXIDOS



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FLUXOS REFINADORES

• INTRODUÇÃO DE SUBSTRATOS PARA AUMENTAR A FREQUÊNCIA DE NUCLEAÇÃO

• ESTRUTURA COM GRÃOS MAIS FINOS

• MELHOR COMPORTAMENTO MECÂNICO



GASES EM METAIS LÍQUIDOS

Fenômeno : os metais líquidos dissolvemconsideráveis volumes de gás durante as operaçõesde fusão

Conseqüência : os gases dissolvidos no seio do líquidodevem ser removidos antes da solidificação sob pena deocorrência de defeitos tipo “bolhas de gás ” devido asdiferentes solubilidades destes gases no líquido e nosólido.



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500 550 600 650 700 750 800 850 900

Temperatura, °C

0,2

0

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

Sol

ubili

dade

em

mL

/ 100

g

Sólido

Líquido

Solubilidade do hidrogênio no alumínio a 1 atm

Gráfico mostra grande variação da solubilidade do h idrogênio no Alumínio em função da mudança no estado físico



Problema sob o ponto de vista da Metalurgia de Fundição

Surge quando a quantidade de gases no metal líquido excede a que pode ser retida

em solução sólida .

⇓

A concentração de gases no líquidoremanescente aumenta com o progresso dasolidificação e, em certo ponto, nucleiam-se ecrescem bolhas gasosas.



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Princípios de Solubilidade e Formação de Compostos

A dissolução de um gás em um metal pode serindicada por uma expressão do seguinte tipo:

M H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2

particularmente para o Al:

Al H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2

a molécula H2 (g) de gás hidrogênio se dissocia emcontato com o Al, entrando em solução comohidrogênio atômico → H



Para o Sistema Al (l) e O2(g) o produto da reaçãoé um composto sólido (s):

Al O Al Ol g s( ) ( ) ( )+ →2 2 3

O2 não se dissolve no Al (l) e forma um filme deóxido na interface metal-gás.

Nas condições normais de fundição Al2O3 se formacomo um filme sólido na superfície do alumíniolíquido.

⇓



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Eliminação de Gases nos Metais Líquidos

Tratamentos mais importantes na remoçãode contaminantes gasosos de metais líquidos:

Remoção de Hidrogênio

Remoção do Oxigênio



Remoção de Hidrogênio

Prática mais comum de desgaseificação:

Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido

“Cloro ou Nitrogênio no caso das ligas de Al”

⇓

O gás inerte ao se deslocar no interior dolíquido tende a arrastar consigo o H atômicodissolvido neste líquido, ocorrendo então adesgaseificação do metal líquido.



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Representação esquemática do Processo Rotor para desgaseificação de Al e ligas



Desoxidação pela Aplicação do Princípio da Estabilidade Relativa dos Óxidos

Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução

Mb = elemento soluto adicionado

Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO.

Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metalMa se forem obedecidas outras condições adicionais

⇓



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A reação de desoxidação pode serrepresentada pela equação:

M O M Ob b+ ⇔

onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um óxido sólido, líquido ou gasoso

Exemplo : Desoxidação de Aços

Ma = Ferro Líquido Mb = Al - Si - Mn

MbO = Al 2O3 - SiO2 - MnO



Elementos de um Sistema de Canais de Enchimento

Molde com Apartação Horizontal

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Introdução

� Canal de Descida : Geralmente vertical e de seção transversal circular, direciona o metal da bacia de enchimento até o canal de base.

� Canal Base: Modifica a direção do metal através de um ângulo reto e envia para o canal de distribuição;

� Canal de Distribuição : Conduz o metal através do molde.

�Canais de Ataque : determinam a velocidade de enchimento da cavidade (peça).

� Existem outros elementos como filtros ou retentores de escórias que podem ser instalados entre o canal de distribuição e o canal de ataque com objetivo de reter drosses ou inclusões;

Peça

Canal de Base

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Fluxo Laminar

Re < 2000

Fluxo Turbulento

2000 ≤Re ≤ 20000

Fluxo SeveramenteTurbulento

Re ≥ 20000

Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundição

⇒ Turbulento

Critério no Cálculo de Canais de Enchimento

⇒Manutenção de

Re < 20.000

Consequência Prática

⇒Para Re < 20.000 a turbulência é mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto à parede

⇓

Evita-se a quebra da camada de óxido formada na superfície do líquido e sua introdução no seio do líquido


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Lei da Continuidade

Em um canal fechado completamente cheio, a vazão é constante, independentemente de variações locais da velocidade ou da área transversal

Q = v1. A1 = v2 . A2

v1 e v2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s)

A1 e A2 = áreas da seções transversais nos pontos 1 e 2 (cm2)

Q = vazão do líquido em todos os pontos do canal (cm3/s)


Perdas de Carga

Em todo o Sistema Real

Ocorrência de perda por atrito decorrentes da interação entre as paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade.

Perdas localizadas devido às mudançasde direção e dimensõesdos canais

Em Fluxos Turbulentos ⇒

Perdas adicionais devidos às características do fluxo

⇒Efeitos de atrito internos à massa líquida


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Esquema mostrando o fluxo de um fluído com mudança na direção do fluxo.

(a) Turbulência devido a presença de canto vivo

(b) Aspiração de ar devido a presença de canto vivo

(c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulência e a aspiração de ar.


ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS

Relações de Áreas ou Escalonamento

Sistemas Pressurizados⇒A seção menor

corresponde aos Ataques

Sistemas Despressurizados

⇒

A seção menor corresponde ao

Canal de Descida

Idéia Básica ⇒

Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuição ou aumento das áreas


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Sistema Pressurizado

Razão 1:0,75:0,5Sistema Despressurizado

Razão 1:3:3

Elementos dos Sistemas de CanaisDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Relação de Áreas (Escalonamento)

• Indica a proporção de área dos três componentes básicos do sistema

Área DescidaÁrea Descida

: Área DistribuiçãoÁrea Descida

Área AtaqueÁrea Descida

:

1 : A1 A2:

Sistemas Pressurizados

A2 < 1⇒

Sistemas Despressurizados

⇒ A2 > 1

Elementos dos Sistemas de CanaisDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação

de metais ou ligas

• Físicas :

• Químicas :

• Estruturais :

• Porosidades

• Rechupes

• Trincas de Contração

• Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica).

Dos Grãos ou Cristais .

• Tipos

• Distribuição

• Tamanho

• Natureza


Fundamentos da Solidificação dos Metais

HeterogeneidadesFisicas

Defeitos Fisicos

DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL .

• Porosidades

• Rechupes

• Trincas de Solidificação

Contração na Solidificação

Modelo de Solidificação Projeto

Gases Dissolvidos no Metal Liquido



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HeterogeneidadeQuímica


Segregações

Formação de gradientes no percentual de um elemento de liga

(soluto) na matriz do metal base (solvente) devido a ocorrência de

redistribuição de soluto durante a solidificação de ligas

monofásicas.


HeterogeneidadesEstruturais

Tamanhos dos Grãos

100 µm

(a)

(a) (b) (c) (d) (e)

100 µm 100 µm

(d) (e)

100 µm

(c)

100 µm

(b)



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Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição

• Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação

• Otimização e controle das variáveis do processo.

• Desenvolvimento de novos materiais e processos.


Auxilio no projeto do ferramental

• Adequações no projeto da peça

• Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação

Melhoria do processo

Melhoria do produto

Inovação


• Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de

elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-

metal sólido.

Nucleação Homogênea

• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico.

Superesfriamento Térmico ⇒

Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis .

Fase Líquida Superesfriada Térmicamente

Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.

⇒


Solidificação_Nucelação

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CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFI CAÇÃO

tempoTempo de Solidificação

Tem

pera

tura

(0 C

)

∆T

L L + S

S

Temperatura de Vazamento - T v

Temperatura de Nucleação - T N

Temperatura de Solidificação - T S

∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico



Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1)



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Analise térmica

• Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo um termopar.Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados, grava a evoluçãoda temperatura da amostra durante a solidificação.

As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelomolde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante asolidificação.



Temperatura de Super-resfriamento:Início do crescimento das

células eutéticas.Quanto mais alta esta temperatura, maior a nucleação do banho

Temperatura de Final de

Solidificação:Término da

Solidificação da Amostra. Quanto mais baixa esta temperatura

maior a tendência à formação de carbonetos

Temperatura LiquidusInício da formação da Austenita:

Quanto menor o Carbono

Equivalente, mais alta é esta

temperatura e maior a formação

de autenita

Temperatura de Recalescência:Ponto de máximo crescimento das células eutéticas

Temperatura de Nucleação:

Início da nucleação da grafita

TEE

Tempo

Tem

pe

ratu

ra



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Análise térmica

Parâmetros a serem observados da curva de análise

térmica

TEE – Temperatura do Eutético Estável

TNE – Temperatura de Nucleação do Eutético

TSE – Temperatura de Superresfriamento do

Eutético

TRE – Temperatura de Recalescência do

Eutético

TFS – Temperatura de Superresfriamento do

Eutético

dT/dt – Velocidade de Recalescência (dada

pela curva derivada)



Quando ∆Gtotal < 0 ⇒ o Núcleo cresce espontaneamente⇒ o Embrião atingiu o Raio Crítico e se transformou em Núcleopassando a apresentar um crescimento espontâneo.

∆G ∆Gsup

∆Gvol

∆Gtotal

RaioRc

Rc = Raio Crítico

Núcleo = Embrião que atingiu o R c

⇓

Tornou-se termodinamicamente

estável ( ∆G < 0)



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• Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável).

Nucleação Heterogênea

⇓

Condição mais favorável para a nucleação

O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA , aproveitando a energia de superfície ali disponível.



Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líqu ido para o sólido.

Mecanismos de Crescimento

• Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificação Progressiva

• Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) ou Solidificação Extensiva


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Interface Plana

Interface Celular

Interface Dendrítica

Nucleação Independente

Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação


Líquido

Sólido

Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificação Progressiva

A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida

Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.


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Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou DifusaSolidificação Extensiva

Metal Semi-Sólido

Metal Líquido

Metal Sólido

A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido).

Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas

( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação)


Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificação de metais e/ou ligas

Solidificação de Metais Puros

Solidificação MonofásicaLiga com grande ∆T

Solidificação Polifásica Ocorrência de reação eutética

Solidificação MonofásicaLiga com pequeno ∆T

∆T = Tliquidus – Tsólidus → Intervalo de Solidificação

Ce

TB

αTe

T

TA

α + β

β

A B

β + Lα + L

e

C1

L

C2

Linha LiquidusLinha Solidus


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