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Fundição - Coggle Diagram
Fundição
Tipos de Fundição
Fundição de Areia
- Processo mais utilizado atualmente
- Processo é feito em um molde de areia (material refratário)
- Peça Fundida é retirada com a quebra do molde
- Mistura de areia aglomerantes, aditivos e certa umidade: "areia verde"
Molde
- Confeccionado em duas partes
- Caixa Superior e Caixa Inferior
Etapas - Fundição de Areia
1) A partir do desenho técnico é confeccionado o modelo
2) A primeira parte do modelo é colocada no fundo da caixa de montagem inferior
3) Areia preparada é compactada sobre o modelo
4) Segunda parte do modelo é colocada no fundo da caixa de moldagem superior; modelos do massalote e canal de alimentação são posicionados
5) Areia preparada é colocada sobre os modelos
6) Fundo da caixa é retirado juntamente com os modelos; machos são posicionados
7) Partes superior e inferior do molde são montadas e o metal fundido é vazado
8) A peça junto com canais de alimentação e massalotes é desmoldada
9) Canais de alimentação e massalotes são cortados; peça vai pra usinagem
Confecção do modelo
- Material depende do número de peças
- madeira, gesso, polímeros, metal
- Dimensões: considerar a contração
Projetar o sistema de canais de vazamneto e massalotes
- Desenho: Facilitar a modelagem
- Minimizar defeitos de solidificação
- Cantos vivos, espessuras mínimas de paredes
- Uso de macho
Areias de Fundição
Moldagem em areia verde
- Termo verde: molde não é seco ou sinterizado antes de ser usado
- Metal imediatamente vazado após a confecção do molde
- Adições: carvão, cereais, celulose
- Processo mais simples
- Baixa resistência mecânica
- Presença de umidade
Moldagem em areia seca
- Ou molde "estufado"; variante da "areia verde"
- Maior resistência a pressão do líquido vazado
- Maior estabilidade dimensional
- Areia deve conter aditivos orgânicos para melhorar suas características
- A secagem é feita em **estufas entre 150°C e 300°C
- Maior dureza e permeabilidade
-Deve-se considerar o custo de estufagem e tamanho limite do molde
-Compactação manual ou mecanizada
Moldagem em areia soprada
- "Cold-box"
- Gás ou vapor é utilizada para curar o aglomerante
- Adição de 3-4% de silicato de sódio curado com CO2
- Adição de resina fenoluretânica curada com vapor
de amina
- Adição de resina epóxiacrílica curada com dióxido
de enxofre
- Usada principalmente na confecção de machos
Moldagem em areia-cimento
- Cimento utilizado como aglomerante
- Composição em peso:
- 10% cimento Portland
-água (8%)
-
-
Fundição sob pressão
- O metal é vazado sob pressão: garante-se o pleno preenchimento do molde
- Molde: Aço-ferramenta, refrigerado a água
- Fechamento e abertura do molde modo automático
Tipos
- Câmara Quente: Câmara do pistão e praticamente submersa no metal líquido
- Destinam-se a obtenção de peças vazadas por injeção de
- Ligas a base de alumínio
- Ligas de magnésio
- Ligas de cobre
- Câmara Fria: Metal é fundido em forno independente da máquina de injeção
- Destinam-se a obtenção de peças vazadas por injeção de
- Ligas metálicas de chumbo-estanho
- Ligas a base de zinco
- Ligas a base de magnésio
Pressão de injeçãoPressão de injeção é função da liga metálica a ser vazada:
- Ligas de zinco 100 a 300 bar
- Ligas de alumínio 800 a 1200 bar
- Ligas de magnésio 700 a 1000 bar
- Ligas de cobre 800 a 1200 bar
Vantagens
- Bom acabamento da superfície (Ra entre 0,4 e 3,2 µm)
- Excelente precisão dimensional (±0,08 mm em ligas de zinco)
- Altas taxas de produção (200 peças/h)
- Geometrias complexas e seções finas (até 0,5 mm em
ligas de zinco)
- Furos obtidos com machos podem ter tolerâncias na
ordem de ±0,015 mm
- Réplicas de detalhes
Limitações
- Alto custo do equipamento e do molde
- Tamanho de peças limitadas pela máquina de injeção
- Casos em que a saída do ar é dificultada
- Volume economicamente viável é elevado
Generalidades - aplicações
- Componentes de bombas
- Partes de motores
- Caixas de transmissão
- Artefatos domésticos
- Artefatos de artes
- Brinquedos
Generalidade
- Câmara Fria:
- pressões típicas 14 a 140 MPa
- ligas de zinco, estanho, chumbo
- Câmara quente:
- pressões típicas 7 a 35 MPa
- ligas de alumínio, magnésio, latão
- Ligas: Alumínio, zinco, magnésio, chumbo
-
Fundição de Precisão
- Existem dois processos distintos para se produzir
moldações para esta tecnologia
- Molde em casca cerâmica: construídas por camadas sobrepostas
- Modelagem sólida: em blocos cerâmicos
- Ou microfusão ou fundição por cera perdida
- Molde cerâmico obtido pelo revestimento de um modelo consumível de cera com argamassa cerâmica refratária
- O modelo de cera é fundido e a cera escorre deixando uma cavidade no molde cerâmico
Etapas
1) Modelo: cera fundida em moldes metálicos;
Vazamento em temperaturas entre 43 e 77 °C em moldes usinados de metais macios, ligas de Zn, latão, bronze, aço, borracha
2) Um ou mais modelos de cera da peça são montados no canal de vazamento - soldagem pela fusão da cera; conjunto é denominado "árvore"
-
-
5) Após varias camadas de suspensão é formada uma carca de cerca de 5-8mm; cada camada é aplicada em intervalos de 24h
6) O modelo de cera é derretido em autoclave deixando o molde cerâmico com a cavidade com os detalhes da árvore
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-
Cera
- Cera de abelha e carnaúba, parafina, breu, antioxidantes, termoplásticos, plastificantes e tinturas, dentre outros.
Vantagens
- Produção em massa de geometrias complexas
- Reprodução de detalhes precisos, cantos vivos, etc.
- Utilização de praticamente qualquer metal ou liga
- Peças produzidas praticamente acabadas
- Controle do tamanho de grão e solidificação direcional
- Possibilidade de fusão sob atmosfera protetora ou sob vácuo
Limitações
- Crescimento de grãos em peças com grandes seções
- Dimensões e peso limitados pela resistência mecânica do molde de cera
Generalidades
- Ligas:
- de alumínio
- de cobre
- de níquel
- de cobalto
- de titânio
- aços-carbonos
- aços inoxidáveis
- aços- ferramentas
- Aplicações
- peças estruturais para indústria aeronáutica
- peças para aviões
- equipamentos para processamento de dados
- equipamentos aeroespaciais
- equipamentos médicos e odontológicos
- equipamentos para indústria têxtil
Estudo de Caso
- Eixo do Comando de Válvulas
Apresentação do Produto
- Responsável pela abertura e fechamento das válvulas em motores de combustão interna
- Posicionado na parte superior do motor
- Basta abrir o capo do carro e procurar a tampa de reposição de óleo
- Abertura e fechamento ocorrem pela rotação de ressaltos : CAMES
- Em Carros de passeio: haste de 30 a 40 cm de comprimento e 2 a 3 cm de diâmetro
Características e propriedades exigidas
- Resistência mecânica e resistência a fadiga
- Eixo gira em altas rotações (500 a 3 000rpm)
- Sofre ciclos de tração e compressão pelas válvulas sobre os cames
- Diâmetro do eixo deve garantir que o limite de resistência não seja atingido em serviço
- Material possuir resistência e tenacidade sem tornar componente pesado
- Resistência mecânica: suportar carga por unidade de área
- Tenacidade: absorver energia por unidade de volume antes de se romper
- Resistência ao desgaste (dureza)
- Abertura das válvulas: cames devem vencer a molas que as mantém fechadas
- Pressões de contato: ultrapassam 1GPa
- Alta dureza e resistência ao desgaste
- Algumas regiões dos eixos sofrem desgaste acentuado
- Exigem grande precisão dimensional
- Devido à usinagem não podem ser muito duras
- Amortecimento de Vibrações
- Absorver as vibrações oriundas do funcionamento do motor
- Material deve dissipar energia mecânica absorvida na forma de calor
Material
- Exigências
- Resistência Mecânica, tenacidade e amortecimento de vibrações
- Alta dureza na superfície dos cames
- Baixa dureza nas regiões que exigem fácil usinagem
- Especificações
- Deve atender aos requisitos mecânicos do
componente
- Processo de fabricação produtivo e com baixo custo
Inter-relação: composição química – microestrutura – processamento – propriedades - desempenho
Processo de Fabricação
- Projeto do Molde
- Facilidade de moldagem
- Linhas de partição
- Dimensionamento dos canais, massalotes, coquilhas
- Molde pode ser confeccionado em areia verde, através de modelos bipartidos em placas de moldagem
- Cada placa contém metade do corpo dos modelos
- Placas: usinagem por CNC, seguindo instruções
geradas pelo CAM a partir de modelos feitos no CAD
- Material do molde: areia verde (areia de fundição,
bentonita, carvão moído, água, aditivos)
- Molde pronto: encaixa-se as coquilhas
- Metal líquido: fornos de indução, utilizando sucata de aço, coque,canais de alimentação reciclados de outros processos
- Vazamento do metal líquido no molde
- Desmoldagem pela quebra do molde de areia (tambores)
- Acabamento com jatos de granalha de aço
- Regiões apoiadas no bloco do motor são retificadas
- Eixo do comando pronto
Fundamentos
Vazamento
- Temperatura de vazamento: é determinada pelo superaquecimento a ser usado no processo
- Ex: liga Al-Si temperatura de fusão 577°C;
Superaquecimento de 50°C: liga fundida está a temperatura de 627°C
- Influencia a microestrutura: taxa de resfriamento durante a solidificação
Superaquecimento
- Temperatura baixa: metal se solidifique antes do preenchimento total do molde
- Superaquecimento excessivo: aumento do consumo de energia; aumento do fluxo turbulento, causando acúmulo de ar
Sistema de Alimentação
- Compõe as partes extras, que além do molde, para garantia da sanidade da peça
- Garantir que o metal preencha o molde sem turbulência
- Evitar aprisionamento de gases, erosão das paredes do molde
Projeto do molde: especificação de geometrias posições
- Metal vazado pelo bocal de vazamento
- Canal de descida
Canal de distribuição
- Peça
Solidificação
- Composições com grande intervalo de solidificação não se solidificam progressivamente
- Simultaneamente em diversas regiões da peça de modo aleatório
- “Zona pastosa”: partes sólidas e canais de metal líquido
- Ao final: formação de vazios
- Composições com intervalo de solidificação intermediário tendem a forma grande seção de "zona pastosa"
- Mistura de cristais na forma dentrítica e metal líquido
- Em canais de alimentação é prejudicial
- Ligas com composição eutética ou metais puros não tem a formação de "zona pastosa"
- Apresenta menos problemas em comparação com os demais casos
- Transformação liquidus-solidus é de natureza dinâmica: ocorrem diversos fenônemos que podem comprometer o desempenho final do produto
- Esse fato pode originar heterogeneidade: rechupes, fendas de concentração, porosidades, segregação de impurezas, etc.
- Solidificação ocorre em duas etapas: nucleação e a de crescimento de grão
Fusão
Ligas
- Mais comuns: Al-si (Al 12% em peso de Si)
- Ligas-mãe: altas concentrações de elementos de liga para serem diluídos
- Adquiridas prontas pela indústria de funcição
Elaboração de ligas
- Adições de elementos puros às ligas-mães
- Mistura de elementos puros
É necessário
- Conhecimento exato das composições e purezas
- Assegurar a distribuição homogênea, dissolução completa dos materiais constituintes
Uso de sucatas
-Dificulta o controle da composição química
-Torna rotineiro as análises
Técnicas como emissão ótica, raio-x, etc.
Gases dissolvidos
- Geralmente estão presentes
- Solidificação: Estrutura sólida não é capaz de acomodar o gás em grande quantidade
- Solubilidade dos gás decresce drasticamente: do líquido para o solido
- Átomos dos gases rejeitados pelo metal em
solidificação: formam bolhas ou porosidade
- Porosidade: defeito
- Alteração das propriedades mecânicas
Técnicas para prevenir a formação de porosidades
- Fusão em vácuo
- Fluxo protetor sobre o metal fundido (evitar o contato com o ar)
- Projeto adequado do molde
- Desgaseificação a vácuo (metal fundido em ambiente de baixa pressão)
- Passagem de bolhas de gases inertes através do metal fundido
- Bolhas de nitrogênio ou cloro: remoção do hidrogênio em alumínio fundido
Escória
- Resultante da reação entre o metal fundido e seu ambiente
- Pode ocasionar defeitos na peça
- Oxigênio e metal fundido reagem e tendem a nadar sobre o metal líquido
- Presença pode comprometer o acabamento
- Controle: minimização do metal fundido com o ambiente
- Aglomeração dos óxidos e retirada de uma camada escória antes do vazamento
- Cadinhos especiais: retirada do metal pelo fundo
- Filtros cerâmicos
- Projeto do molde: escória em cavidades auxiliares
Fornos Elétricos
- Aços e ferros-fundidos
- Arco elétrico e indução eletromagnética
- Arco elétrico: câmaras de 3 a 7 metros de diâmetro
- Arco elétrico aberto entre eletrodos de grafita (15 a 50 cm de diâmetro)
- São pouco poluentes
- Manutenção da alta temperatura por muito tempo
Fornos
- Indução: Utilizam o calor gerado no próprio metal pela corrente eletríca, induzida por um campo eletromagnético de alta frequência
- Capacidade de 50kg a 100 toneladas; potência de 1500 kW (35 toneladas)
- Provoca intenso agitamento do metal: melhora a homogeneização
- Gás e óleo: Utilizam o calor gerado pela queima de combustíveis
- Geralmente usados na fusão de metais não ferrosos
- Combustão: Diretamente no metal a ser fundido ou externamente (aquecendo o cadinho)
- Cubilô: utilizados para fusão de ferros-fundidos
- Calor gerado pela queima do carvão
-Calcário usado para o controle de escória
- Estrutura cilíndrica de cuba vertical: altura até 6 vezes o valor do diâmetro; 6 a 12 t/h
Outros Processos
Conformação por Spray
- Ou fundição por spray
- Atomização de um fluxo de metal líquido por meio da injeção de um gás inerte à alta pressão
- Gotas do metal atomatizado são depositados sobre um substrato
- Pelo movimento do substrato em relação ao jato de spray, o depósito pode tomar diversas formas
- Ligas depositadas através de spray apresentam
microestrutura refinada
- Une solidificação rápida em peças de grande volume
- Uso de largo espectro de materiais
- Ligas de Al, Pb, Cu, Mg, Ni, Ti, Co e aços
- Aplicações: camisa de pistão em ligas Al-Si, tubos de aço inoxidável
- Fabricação de ligas para outros processos
Tixofundição
- Variação da fundição sob pressão
- Material é conformado no estado semissólido; o metal é parcialmente solidificado no momento da injeção
- Matéria-prima é obtida pelo aquecimento da liga até sua temperatura de fusão; resfriada até formar uma massa pastosa
- Microestrutura confere a massa um comportamento de fluido tixotrópico
- Tixotrópico: a viscosidade decresce com a imposição de tensões de cisalhamento
- Matéria prima reaquecida é injetada por pressão no molde
- Liga apresenta baixa viscosidade: ótimo preenchimento sem turbulência
- De modo geral as propriedades dos materiais reofundidos são melhores que os fundidos convencionalmente
- Benefício: capacidade de produzir peças com alta compactação, tratadas termicamente com baixíssima porosidade e rápido ciclo de produção
- Promove a maior existência de tamanhos de grão globular que transmite uma maior resistência mecânica ao fundido
- Porosidade é um dos principais problemas no processo de fundição
- Produzem-se peças leves de ligas leves para substituir peças de aço ou ferro fundido
- A presença de pequenos poros em determinadas
regiões da peça poderá impactar na resistência a tensão
- Na fundição semissólida, cuidados são tomados para prevenir este tipo de porosidade através da correta escolha dos parâmetros do processo a ser utilizado
Fundição em molde cheio
- Conjunto é vibrado para compactar a areia
- Metal fundido é vazado
- Quando em contato com o metal, o modelo vaporiza e o metal ocupa seu lugar
- Com a solidificação do metal, o recipiente é tombado e a areia cai
- Peça ou conjunto prontos
- Processo relativamente simples
- Sem linhas de partição do modelo e machos
- Operação pode ser automatizada
- Areia diretamente reutilizada
- Ligas: de alumínio e ferro fundido
- Aplicações: blocos de motores, virabrequins,
componentes de freio, bases de máquinas
Processo de Fundição
Características
Características
- Metal no estado líquido é levado a fluir por gravidade
ou força dentro de um molde onde se solidifica
- Molde tem a forma total ou parcial da peça
- Fabricação de geometrias complexas
- A tecnologia de fundição é composta por métodos processos e técnicas para conformação de metais fundidos e para a solidificação controlada
- Princípio de Arquimedes: "o líquido toma a forma do vaso que o contém"
Generalidades
Modelagem
- Molde com a cavidade na forma da peça a ser produzida é fabricado
- Para moldes de areia: são usados modelos geralmente feitos em madeira
- Há os moldes metálicos: cavidade usinada
Cavidades
- Diversas cavidades que não constituem a peça são feitas: garantir a sanidade da peça
- Evitar turbulência, saída de gases, filtrar escória, evitar a formação de vazios
Etapas
1) Fabricação do molde
2) Liga, após tratamento necessários, é vazada no molde
3) "Fundido" é retirado do molde
4) Remoção de canais
5) Limpeza, tratamento térmico
6) Usinagem
7) Controle de qualidade (Ensaios Mecânicos)
8) Sucata retorna para o forno
9) Areia é tratada para ser reciclada
Ferros Fundidos
- Ligas Fe-C, contendo de 3 a 4,5% em peso de carbono
- Elemento importante: Si
- Abaixo de 15%
- Entre 1 a 3%
- Favorece a formação de grafica (C) no lugar de cementita (Fe3C)
- Cementita: fase metaestável – não se encontra
totalmente em equilíbrio
- Cementita se forma com facilidade quando o teor de carbono é baixo, como no caso dos aços
- No fofo: há a tendência de formação da fase mais
estável, a grafita
- Si acima de 1% favorece a formação da grafita em detrimento da cementita
- O aumento da taxa de resfriamento dificulta a difusão do carbono: cementita é favorecida
- Teor de Si x taxas de resfriamento: diferentes
microestruturas
- Quanto maior a concentração de silicio, menores taxas de resfriamento são necessárias para se produzir grafita no lugar de cementita
- Ferro fundido cinzento – 1 a 3% Si
- Ferro fundido branco – menos de 1% de S
- Ferro fundido nodular – adição de Mg ou Ce para
produzir grafita no lugar de glóbulos
- Ferro fundido maleável – 0,9 a 1,6% S